Schlüsselprojekt Nr. CF-2023-I-719

Hauptforscher: Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez

Dieses Projekt wird vom Nationalen Rat für Geisteswissenschaften, Wissenschaft und Technologie Mexikos im Rahmen des Frontier Science Fund in seiner Ausschreibung 2023 finanziert. Projekt mit dem Code CF-2023-I-719.

Feuerfeste Materialien werden verwendet, um Wärme zu speichern, eignen sich für Anwendungen mit hohen Temperaturen und müssen in der Lage sein, hohen Temperaturen, plötzlichen Temperaturschwankungen (Temperaturschock), Druck-, Biege- und Zugspannungen standzuhalten, Vibrationen, Abrieb und Erosion zu widerstehen, geschmolzenen Produkten, Schlacken, Gasen und Dämpfen, sauren oder basischen Umgebungen zu widerstehen.

Darüber hinaus ist bekannt, dass feuerfeste Materialien mit geringerer Dichte schwächer gegenüber dieser Art von rauer Umgebung sind und in diesen Rissen Mikrorisse, Abplatzungen, das Eindringen von Schlacke und geschmolzenem Produkt erzeugen. Mit anderen Worten, die Lebensdauer des feuerfesten Materials verkürzt sich.

Daher zielt dieses Projekt darauf ab, eine dichte gesinterte Magnesia zu erhalten, indem doppelt kalzinierte Mikropartikel in Rohkost (mit Kationen der Oxidationsstufe 1+, 2+, 3+ und 4+) eingearbeitet werden, um die Wirkung der Mikropartikel in der feuerfesten Matrix auf ihre Mikrostruktur, ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.

Aus diesem Grund soll die Art und Weise, wie gesinterte Magnesia gewonnen wird, geändert werden.

Feuerfeste Materialien werden in industriellen Prozessen eingesetzt, die bei hohen Temperaturen arbeiten, wie z. B. in der Stahl-, Metallurgie-, Zement-, Keramik-, Petrochemie- und Glasindustrie, um nur einige zu nennen.

Dank feuerfester Materialien können wir Eisen, Stahl, Zement, Glas, Keramik, Nichteisenmetalle (Nickel, Palladium, Platin, Titan, Aluminium, Zinn, Blei, Zink) usw. gewinnen.

Feuerfeste auf Magnesia-Basis werden als Beschichtungen in verschiedenen industriellen Prozessen eingesetzt. Sie sind mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen ausgesetzt; die verursachen: Abplatzungen, Mikrorisse, Risse, Korrosion usw. Obwohl bekannt ist, dass Magnesia-Feuerfestmaterialien eine gute Hochtemperaturbeständigkeit, grundlegende Schlackenbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit aufweisen; Bei kontinuierlichem Einsatz und für einen kurzen Zeitraum (teilweise maximal zwei Wochen) treten in den feuerfesten Materialien Risse, Mikrorisse, Metalldurchdringungen und geschmolzene Schlacke auf, die das Material zum Einsturz bringen.

Dies führt zu einer teilweisen oder vollständigen Änderung der Ofenbeschichtung, die sich in der kurzen Lebensdauer des Materials widerspiegelt und zu wirtschaftlichen Kosten in Branchen führt, die reduziert werden könnten.

Eine wichtige Eigenschaft eines feuerfesten Materials ist die Dichte, feuerfeste Materialien mit geringerer Dichte sind anfälliger für die Auswirkungen.

Und um feuerfeste Materialien auf MgO-Basis (bessere mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit usw.) zu erhalten, ist es notwendig, Magnesia mit hoher Reinheit (mehr als 98,0 Gew.-%) und hoher Dichte zu verwenden.

Zu diesem Zweck zielt diese Studie darauf ab, dichtes MgO-Rohmaterial für die Herstellung von MgO-basierten Feuerfestmaterialien zu gewinnen.

Dies geschieht durch Modifizierung des Prozesses zur Gewinnung von gesinterter Magnesia, durch den Einbau von Mikropartikeln von Kationen mit den Oxidationsstufen 1+, 2+, 3+ und 4+ in die Brucitmatrix, durch Modifizierung der Art und Weise der Gewinnung von gesinterter Magnesia, mit dem Ziel, dichtes Rohmaterial zu erhalten.

Das Ziel dieser Studie ist es, die Wirkung von Partikeln auf doppelt kalzinierte Bruzit aufzuklären, um dichte gesinterte Magnesia zu erhalten. Ein Ziel ist es, die Porosität zu reduzieren und die Dichte zu erhöhen, indem Kationen an einigen Stellen ersetzt werden, die dem Mg2+-Ion entsprechen.

Die Hypothese ist, dass mit dem Einbau von Mikropartikeln von Kationen mit den Oxidationsstufen 1+, 2+, 3+ und 4+ in Brucit und deren anschließender Kalzinierung davon ausgegangen wird, dass es zu einer Substitution von Kationen in der MgO-Matrix kommt, die das Kristallgitter modifiziert, die atomare Diffusion begünstigt und die Porosität verringert und die Dichte des gesinterten MgO erhöht.

Das allgemeine Ziel des Projekts ist es, dichte gesinterte Magnesia aus Brucit als Vorläufer unter Zugabe von Kationenpartikeln mit den Oxidationsstufen 1+, 2+, 3+ und 4+ zu erhalten, um ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften sowie ihre Morphologie, Mikrostruktur und Oxidationsstufen der in den erhaltenen Mischungen gebildeten Phasen zu analysieren.

Ebenso werden die möglichen gebildeten Phasen mittels einer thermodynamischen Analyse von Brucit und der Zugabe von Mikropartikeln mit den Oxidationsstufen 1+, 2+, 3+ und 4+ bestimmt.

Darüber hinaus wird eine Röntgenemissions-Photospektrometrie (XPS) durchgeführt, um Oxidationsstufen zu bestimmen, und eine chemische Analyse des Rohmaterials (Brucit- und Kationenpartikel mit den Oxidationsstufen 1+, 2+, 3+ und 4+).

Auf der anderen Seite werden ätzende Magnesiumoxidpulver durch Wärmebehandlung bei 960° C aus Brucit gemischt mit verschiedenen Prozentsätzen von Kationenmikropartikeln mit den Oxidationsstufen 1+, 2+, 3+ und 4+ gewonnen.

Auf die gleiche Weise werden grüne Proben von ätzenden Magnesiapulvern durch einachsiges Pressen hergestellt.

In gleicher Weise werden die Proben bei 1600 °C in einem konventionellen Ofen grün gesintert.

Nach dem Sintern werden die aus den Verbindungen gewonnenen Phasen durch Röntgenbeugung bestimmt.

Die Morphologie und Mikrostruktur der Sinterverbindungen wird mittels Rasterelektronenmikroskopie analysiert.

Ergänzend zur Studie werden Röntgenemissions-Photospektrometrie-Analysen (XPS) durchgeführt, um die Oxidationsstufen der Sinterverbindungen zu bestimmen.

Auf die gleiche Weise werden die physikalischen Eigenschaften in Bezug auf Dichte und Porosität an gesinterten Verbundwerkstoffen mit Hilfe des archimedischen Prinzip Tests bestimmt.

Abschließend werden die mechanischen Eigenschaften durch Prüfung der Kaltdruckfestigkeit an gesinterten Proben bestimmt.

Nach dem Stand der Technik von feuerfesten Materialien und deren allgemeiner Verarbeitung. Ein feuerfestes Material ist eine nichtmetallische Verbindung, die ihre physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen über 1500 °C beibehält.

Diese werden unter anderem zur Auskleidung von Kesseln und allen Arten von Öfen, Hochöfen, Öfen, Roheisenmischern, Elektroöfen, Konvertern und Pfannen verwendet.

Der Zweck von feuerfesten Materialien besteht darin, die Wärme im Inneren des Ofens oder der mit diesem Material ausgekleideten Einheit zu speichern.

Das grundlegende oder häufig verwendete Verfahren zur Herstellung einer Keramik ist die Gewinnung des Materials, das Zerkleinern, Sieben, Mischen, Umformen, Trocknen und Sintern.

Es ist zu beachten, dass das Sintern nur dann erfolgt, wenn die Temperatur des Produkts die Hälfte bis zwei Drittel seiner Schmelztemperatur überschreitet.

Eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung ist notwendig, um eine atomare Diffusion und eine feste Lösung in der Sinterphase zu bewirken.

Darüber hinaus tritt in einigen Fällen eine viskose Strömung auf, wenn eine flüssige Phase vorhanden ist oder durch eine chemische Reaktion der Komponenten verursacht wird.

Während der Verarbeitung dieser keramischen Materialien ist es möglich, einige Eigenschaften, die nach dem Sintern erhalten werden, zu modifizieren und vorherzusagen. Und was die Änderung seiner Eigenschaften betrifft, so kann dies durch Hinzufügen anderer Substanzen erfolgen.

Was die grundlegenden Anforderungen an ein feuerfestes Material betrifft, so müssen wir uns daran erinnern, dass diese zur Wärmespeicherung verwendet werden und bei hohen Temperaturen verarbeitet werden können. Darüber hinaus müssen sie in der Lage sein, plötzlichen Temperaturschwankungen (Temperaturschock), Druck-, Biege- und Zugspannungen standzuhalten, Vibrationen, Abrieb und Erosion zu widerstehen, geschmolzenen Produkten, Schlacke, Gasen und Dämpfen, sauren oder basischen Umgebungen standzuhalten. Im Allgemeinen müssen sie hohen Temperaturen standhalten und aufgrund ihrer Exposition gegenüber aggressiven Umgebungen hohe physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften aufweisen.

Auf der anderen Seite bestehen feuerfeste Materialien aus 1. Korn oder Gesteinskörnung: entspricht 70 % des feuerfesten Produkts, und verschiedene Korngrößen werden verwendet, um kompaktere feuerfeste Körper herzustellen. 2. Matrix- oder Füllmaterialien: Dies sind Materialien, die zum Füllen der leeren Bereiche zwischen den Körnern verwendet werden und deren Größe weniger als 150 Mikrometer beträgt. 3. Bindemittel: Dies wird verwendet, um die Zuschlagstoffe und die Matrix miteinander zu verbinden, um ein Produkt mit Grünfestigkeit oder Trockenfestigkeit zu bilden. 4. Poren: Dies sind die offenen Hohlräume, die in feuerfesten Materialien immer vorhanden sind.

Die Zuschlagstoffe bieten mechanische und chemische Beständigkeit gegen die feuerfeste Masse, während die Matrix mechanisch und gegen Schlacke und Gase der schwächste Bereich ist. Aufgrund seiner hohen Reaktivität, seiner hohen Porosität und seiner spezifischen Oberfläche erleichtert es die Imprägnierung und Korrosion in der flüssigen Phase.

Derzeit werden die Eigenschaften der Matrix durch das Einbringen ultrafeiner Partikel verstärkt. Es gibt Hinweise, die auf empirischen Erkenntnissen beruhen und darauf hinweisen, dass Mikro- und Nanopartikel, wenn sie in eine keramische Matrix eingebracht werden, den mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschaften des Materials zugutekommen.

Wenn beispielsweise im Magnesia-Kohlenstoff-Feuerfestsystem Grafit in Magnesia eingearbeitet wird, verbessert seine Betriebsleistung seine Zähigkeit, Beständigkeit gegen Temperaturschock und Schlackenkorrosion. Darüber hinaus können Antioxidantien hinzugefügt werden, um die Oxidation von Graphit zu reduzieren und durch seine Reaktion bei hohen Temperaturen neue Bindungen zu schaffen, die die Porosität verringern und die mechanische Festigkeit erhöhen.

In basischen Feuerfestmaterialien aus Magnesiumoxid (MgO) werden Materialien mit einer chemischen Zusammensetzung von 75 % MgO bis maximal 3 % der Summe der Bestandteile Calciumoxid, Silicium Oxid und Eisenoxid betrachtet. In diesen Materialien bilden die Sauerstoffanionen von MgO eine kubische Struktur, die auf den Flächen zentriert ist, diese Anionen bilden oktaedrische und tetraedrische Zwischenräume, in denen Mg2+-Kationen die oktaedrischen Stellen vollständig besetzen.

Früher wurden kalziniertes Magnesiumcarbonat und Magnesiumhydroxid, die aus Solen gewonnen wurden, als Rohstoff zur Herstellung von feuerfesten Produkten verwendet, die langsam durch hochtemperaturkalzinierte Magnesia (gesinterte Magnesia) und elektrogeschmolzene Magnesia verdrängt wurden.

Elektrogeschmolzene Magnesia wird durch Schmelzen gewonnen und hat im Vergleich zu gesinterter Magnesia bessere Eigenschaften, da sie kompakter, mechanisch und chemisch beständiger ist. Aber seine Herstellung ist teuer, so dass seine Verkaufskosten im Vergleich zu feuerfesten Systemen, die nicht aus diesem Material hergestellt werden, sehr hoch sind.

Zu den feuerfesten Magnesia-Materialien gehören gesinterte Magnesia, elektrogeschmolzene Magnesia, Magnesia-Kohlenstoff, Magnesia-Kohlenstoff mit Antioxidantien, Magnesia-Zirkonoxid und Magnesia-Aluminiumoxid. Diese feuerfesten Materialien halten hohen Temperaturen stand und werden als Beschichtungen in grundlegenden Umgebungsbereichen verwendet, die in industriellen Prozessen verwendet werden, die hohe Temperaturen in ihren Prozessen erfordern. Wird normalerweise in metallurgischen Öfen, in Nichteisenöfen und im Regenerator von Glasöfen verwendet.

Gesintertes Magnesiumoxid synthetischen Ursprungs in Mexiko wird durch Zugabe von Solen unter Zusatz von kalziniertem Dolomit in einem Gasdrehrohrofen gewonnen. Diese Methode zur Gewinnung von gesinterter Magnesia wird von der Peñoles Corporation mit Sitz in Torreón, Coahuila, verwendet. Bei diesem Verfahren wird Dolomit kalziniert und mit Magnesiumchlorid in wässriger Lösung vermischt, woraus Calciumhydroxid und Magnesiumhydroxid gewonnen werden. Im Reaktor wird Calciumhydroxid mit Calciumchlorid kombiniert, um Magnesiumhydroxid auszufällen. Das aus Dolomit und durch Kristallisation von Solen gewonnene Magnesiumhydroxid wird zur Kalzinierung bei tausend Grad Celsius in einen Ofen geschickt, aus dem ätzendes Magnesiumoxid gewonnen wird.

Es ist zu beachten, dass wir in dieser Arbeit Partikel mit Valenzkationen 1+, 2+, 3+ und 4+ in den Brucit geben werden, bevor wir ätzende Magnesia erhalten, auf diese Weise werden wir die Gewinnung von gesinterter Magnesia modifizieren und die Auswirkungen analysieren, die durch die Additive im feuerfesten Material verursacht werden. Die ätzenden Magnesiumoxidpulver werden dann verdichtet und zum Sintern bei Temperaturen von 1500 °C bis 2000 °C in einen vertikalen Ofen geschickt, was zu gesinterter Magnesia führt. In der Sinterphase werden an den Kontaktstellen der Partikel Hälse gebildet, der Kompakt geschrumpft und schließlich die im Material vorhandenen Poren reduziert und isoliert. Dieses Halswachstum zwischen den Partikeln ist auf den Massendiffusionsmechanismus zurückzuführen, der über die Oberflächen benachbarter Partikel innerhalb desselben Keramikkörpers auftritt.

Die folgenden Podcasts erläutern die Fortschritte und Erkenntnisse dieser Forschungsarbeit. Das Projekt wird vom Nationalen Rat für Geisteswissenschaften, Wissenschaft und Technologie Mexikos im Rahmen des Border Science Fund im Rahmen der Ausschreibung 2023 finanziert.