Analyse und Minimierung von Schädigungen an keramischen Brennhilfsmitteln in Ofenanlagen der Metallurgie

Motiviert durch gehäuftes Auftreten von Schadensfällen in industriell genutzten Ofenanlagen zur Wärmebehandlung von Stählen werden in der vorliegenden Arbeit die wesentlichen Mechanismen dieser Schädigungsprozesse herausgearbeitet. Unterstützt durch thermodynamische Simulationsrechnungen werden korrosive Schädigungen an den Modellwerkstoffen Korund, Mullit, Spinell und SiC typisiert und gedeutet. Neben den chemischen Reaktionen der Metalle mit den keramischen Werkstoffen spielt die Ofenatmosphäre eine bedeutsame Rolle. In reduzierenden Atmosphären werden siliziumoxidhaltige Werkstoffe derart geschwächt, daß SiO2 zu SiO reduziert wird und abdampft. Unter Luft verzundern die Stähle je nach Legierung unterschiedlich stark, der Zunder reagiert mit den Oxiden unter Bildung tiefschmelzender Schlacken. SiC reagiert insbesondere mit Ni-haltigen Stählen unter Bildung niedrigschmelzender Silicide. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurden zusammen mit einem Industriepartner verschiedene Werkstoffsysteme zur Herstellung von Ofenrollen definiert und hergestellt. Diese Rollen wurden wiederum den Korrosionstests unterzogen. Variiert wurde neben den Legierungen und der Atmosphäre auch die Versuchstemperatur. Zum Vergleich wurden diese Untersuchungen auch mit einem bereits weit verbreiteten Rollentyp auf Basis Korund und Mullit durchgeführt. Desweiteren wurde anhand von bruchmechanischen Untersuchungen der Einfluß der reduzierenden Atmosphäre auf diese Versuchsrollen bestimmt. Je nach Lastfall können einzelne Rollentypen als besonders geeignet identifiziert werden. Im Kontakt mit verzunderten hochlegierten Stählen wiesen Korund-Mullit und Zirkon-Mullit die geringsten Schädigungen auf. Spinell erscheint insbesondere in stark reduzierendem Milieu besonders geeignet da hier eine geringe Reduktionsneigung besteht. Zirkon-Mullit bietet durch die Mikroverstärkung mittels fein verteiltem Zirkoniumoxid hohe Festigkeiten und (vermutlich) auch die höchsten Bruchzähigkeiten, dies führt neben verbesserter Thermoschockbeständigkeit auch zu einer hohen Schädigungstoleranz, da der im Falle eines korrosiven Angriffs verbleibende Restquerschnitt der Rolle eine hohe Tragfähigkeit besitzt. Zur Überprüfung dieser Erkenntnisse wurden Zirkon-Mullit, Korund-Mullit und der Serienwerkstoff Sillimantin NG in einem industriell genutzten Ofen für ein Jahr eingebaut und danach untersucht. Als Ergebnis bleibt festzuhalten, daß die Schädigungstiefe bei den Versuchsrollen nur 10 % des Wertes der Serienrolle betrug, und somit eindrucksvoll die Tauglichkeit der neuen Konzepte unter Beweis gestellt wurde.