Die Herstellung keramischer Filter für den Einsatz in der Eisen- und Stahlschmelzfiltration ist mittels viskoplastischer Formgebung möglich. Es wurden keine Trägermaterialien verwendet und weitestgehend wurde ohne Zusatz organischer Additive gearbeitet. Wesentliche Ziele der Anwendung dieser Technologie waren dabei eine Festigkeitssteigerung gegenüber herkömmlichen Schaumkeramikfiltern, da keine Hohlstege, sondern Vollstrukturen erzeugt werden und die Kostenreduzierung der Gesamtbilanz, da der Brennprozess günstiger wird (es werden keine Filteranlagen mehr benötigt) und Kosten für Schäume entfallen. Eine entsprechende Struktur kann mit der Kolbenpresse in Form von ungeordneten Strängen erzeugt werden - die so genannten Spaghettifilter. Die Auswertung der Gussstücke aus Gießversuchen mit Eisenschmelze wurde mittels 3D-CT Röntgentomographie durchgeführt. Der Filtrationswirkungsgrad der Schaumfilter ist nach dieser Methode höher als der der Spaghettifilter. Die 3D CT Röntgentomographie kommt eventuell als eine einfache und zerstörungsfreie Methode zur Beurteilung der Filtrationswirkung in Frage. Das Anlegen einer Spannung im System Filter / Schmelze zeigt nach ersten Versuchen chancenreiche Ergebnisse. Durch den Polarisationseffekt kann eine Erhöhung der Abscheideeffizienz bei Schaumkeramikfiltern erreicht werden kann. Die Spaghettifilter zeigen keine Erhöhung durch spannungsunterstützte Filtration.

In this diploma thesis was analysed layer of corroded material created on refractory lining of reactors for mazut gasification. Samples of corroded material were analysed for SiO2, Al2O3, ZrO2, Fe2O3 a TiO2. Corroded material was further analysed by x-ray and IR spectroscopy to acquire more precise data about chemical composition. This thesis studies the exact effect of microstructure on static corrosion kinetics in system SiO2-Al2O3.

In der vorliegenden Arbeit wird die Aktivierung der Bildungsbedingungen von Mullit in Pulvermischungen anorganischer Al3+ - und Si4+-haltiger Ausgangsrohstoffe mit stöchiometrischer Zusammensetzung von 3/2-Mullit untersucht. Eine mit 1,25 Atom-% Magnesiumhydroxid dotierte und unter hydrothermalen Bedingungen (300°C/24 h) ausgelagerte Pulvermischung aus Gibbsit und Quarz zeichnet sich beim Sintern ab 1150°C durch hohe Mullitisierungsraten aus. Dieser Mullitprekursor kann erfolgreich als Bindematrix in einem Werkstoff auf Sintermullitbasis eingesetzt werden. Nach der Sinterung (1600°C/2 h) einer Versatzmischung aus 70 Masse-% Sintermullit und 30 Masse-% Mullitprekursor entsteht ein homogenes Werkstoffgefüge in dem die ursprünglichen Korngrenzen der Sintermullitkörnung und der mullitisierenden Bindematrix nicht mehr zu identifizieren sind. Das Gefüge dieses Werkstoffes ist durch eine große Anzahl kleiner Poren (< 10 µm) mit enger Porengrößenverteilung gekennzeichnet.

Die vorliegende Abhandlung befasst sich mit der Thematik der gezielten Festigkeitssteigerung silikatkeramischer Werkstoffe. Dabei liegt das Interesse auf der Korrelation der Bruchspannung verschiedener Versuchswerkstoffe, mit den sich in Abhängigkeit der Rohstoffzusammensetzung bildenden Gefügemerkmalen. Die Grundlage der Versuche ist die Modifikation eines chemisch-technischen Feinsteinzeuges, bestehend aus bildsamen Rohstoffen, den Tonen und zweier unbildsamen Komponenten, den Schamotten. Durch die Substitution der unbildsamen Schamotten mit Feldspatrohstoffen und Aluminiumoxid gelingt die Veränderung der Gefüge bei gleichzeitiger Steigerung der Festigkeit gegenüber dem Referenzwerkstoff. Dabei korrelieren die Substitute eng miteinander. Die Feldspatrohstoffe liefern die erforderliche Menge Alkaliionen zur Intensivierung der Flüssigphasensinterung. In dieser Konsequenz entsteht ein vermehrter Anteil röntgenamorpher Phase. Zudem wird die Mullitkristallisation begünstigt. Das kristalline Al2O3 führt zu einem Verbund mit der amorphen Matrix, der deutlich geringeren Spannungen unterliegt, als es der Fall für den durch die Rohstoffe eingebrachten und ungelösten Restquarz ist. Dieser zeichnet sich vorrangig durch ein vollständiges oder teilweises Ablösen von der Matrix und damit einer kritischen Gefügeschädigung aus. Die damit einhergehende Beeinträchtigung der Werkstoffe wird durch den Vergleich mit einem Werkstoff höheren Quarzanteils bekräftigt. Eingehende röntgenografische Analysen der heterogenen Werkstoffe ermöglichen es, Tendenzen hinsichtlich der Diskrepanz des thermischen Dehnungsverhaltens zwischen Glas- und Mineralphasen aufzuzeigen und somit einen Bezug zu inneren Spannungen herzustellen. Neben derartigen Spannungen im Gefüge zeigt sich die Relevanz des sich während der Werkstoffkonsolidierung bildenden Sekundärmullits. Mikro- und nanoskalige Mullitnadeln, eingebettet in der amorphen Matrix, münden in deren Bewehrung, wodurch ein Beitrag zur Festigkeitssteigerung des Werkstoffes geleistet wird. Die Ergebnisse liefern die grundsätzliche Erkenntnis, dass die unterschiedlichen Wirkmechanismen zur Steigerung der Festigkeit in silkatkeramischen Werkstoffen in kausalem Zusammenhang stehen und nicht ausschließlich individuell betrachtet werden sollten.:1 Einleitung und Problemstellung 1 2 Grundlagen und Stand der Technik 4 2.1 Merkmale des Feinsteinzeugs und Porzellans . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Relevante Rohstoffe und deren Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.1 Tone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.2 Schamotte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.3 Aluminiumoxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.4 Feldspat und Feldspatvertreter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Mechanische Eigenschaften keramischer Werkstoffe . . . . . . . . . . . 11 2.4 Bruchmechanisches Verhalten keramischer Werkstoffe . . . . . . . . . . 12 2.5 Festigkeitstheorien in Abhängigkeit bestimmter Gefügemerkmale . . . . 14 2.5.1 Mullit und die Mullithypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5.2 Gefügespannungstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.5.3 Dispersionsverstärkung der Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.5.4 Glasphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5.5 Einfluss der Porosität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5.6 Statistische Auswertung der Bruchspannungsswerte - DieWeibull- Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.6 Grundlagen zur Bestimmung des Mineralphasengehaltes . . . . . . . . . 23 3 Experimentelle Methodik 25 3.1 Grundlagen und Vorgehensweise zur Entwicklung der Masseversätze . . 25 3.1.1 Auswahl der Rohstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.2 Grundlagen der Versatzberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1.3 Erläuterung der Versuchsbezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.4 Zusammenstellung der Versuchsversätze . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.5 Aufbereitung der experimentellen Versätze . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.1 Vorgehensweise zur Bestimmung und statistischen Auswertung der Festigkeitswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.2 Bestimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glasmatrix 33 3.2.3 Bestimmung der Deformation während des Sinterprozesses . . . 35 3.2.4 Analyse des Erweichungsverhalten mit dem Erhitzungsmikroskop 36 3.2.5 Wasseraufnahme, Rohdichte und offene Porosität . . . . . . . . 36 3.2.6 Reindichtebestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3 Röntgenographische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.1 Röntgenbeugungsanalytik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.2 Rasterelektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3.3 Röntgenfluoreszenzanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4 Darstellung und Diskussion der Ergebnisse 42 4.1 Betrachtung der mechanischen Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2 Reproduzierbarkeit der Ergebnisse der Bruchspannungsmessungen . . . 48 4.3 Festigkeitsentwicklung in Abhängigkeit der Porosität . . . . . . . . . . 49 4.4 Ergebnisse der mineralogischen Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . 55 4.4.1 Qualitative Darstellung der Mineralogie . . . . . . . . . . . . . . 55 4.4.2 Quantitative Darstellung der Mineralogie . . . . . . . . . . . . . 58 4.4.3 Verifizierung der Ergebnisse aus der Mineralphasenquantifizierung nach der modifizierten RIR-Methode . . . . . . . . . . . . 66 4.5 Elektronenmikroskopische Aufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.5.1 Vergleichende Betrachtung der Gefüge in Abhängigkeit der unterschiedlichen Rohstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.5.2 Vergleich der Werkstoffgefüge mit Al2O3 und Feldspatrohstoff . 79 4.5.3 Betrachtung der Mullitkristallisation . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.6 Wärmdehnungsverhalten der Glasphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.7 Deformationsverhalten während des Sinterprozesses . . . . . . . . . . . 87 5 Zusammenfassung und Ausblick 90 Literatur- und Quellenverzeichnis 95 Appendix 108 / The theme of the present work is the strength of silicate ceramic materials. In this regard it is of interest to correlate the fracture stress of various experimentally investigated materials with microstructural characteristics dependent on different raw material compositions. The basis of these investigations is the modification of a porcelain stoneware consisting of different types of clay and non plastic chamottes. Substitution of the chamottes with different types of feldspar and alumina leads to significant changes of the microstructure and to an associated increase in mechanical strength relative to the reference material. The feldspar raw materials provide the required concentration of alkali ions to enhance the liquid-phase sintering. As a result, the amount of the amorphous phase inreases and the crystallisation of mullite is promoted. The crystalline alumina becomes embedded in the glassy matrix and thereby leads to significantly lower stresses than would be the case for undissolved residual quartz introduced by the raw materials. Quartz is characterised by a complete or partial detachment from the matrix and thus a critical material failure. This is confirmed by comparison with a material consisting of a high quartz concentration. X-ray analysis of the heterogenous materials reveals trends regarding thermal expansion mismatch between the amorphous and crystalline phases. Thus a relationship to internal stresses is established. In addition, the relevance of the secondary mullite formed during the consolidation process is shown. Micro- and nanoscaled mullite needles, embedded in the amorphous matrix, contribute to the strength of the materials by reinforcing the matrix. The results provide the fundamental insight that the different mechanisms of increasing the strength in silicate ceramic materials are causally related and should not be considered in isolation.:1 Einleitung und Problemstellung 1 2 Grundlagen und Stand der Technik 4 2.1 Merkmale des Feinsteinzeugs und Porzellans . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Relevante Rohstoffe und deren Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.1 Tone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.2 Schamotte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.3 Aluminiumoxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.4 Feldspat und Feldspatvertreter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Mechanische Eigenschaften keramischer Werkstoffe . . . . . . . . . . . 11 2.4 Bruchmechanisches Verhalten keramischer Werkstoffe . . . . . . . . . . 12 2.5 Festigkeitstheorien in Abhängigkeit bestimmter Gefügemerkmale . . . . 14 2.5.1 Mullit und die Mullithypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5.2 Gefügespannungstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.5.3 Dispersionsverstärkung der Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.5.4 Glasphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5.5 Einfluss der Porosität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5.6 Statistische Auswertung der Bruchspannungsswerte - DieWeibull- Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.6 Grundlagen zur Bestimmung des Mineralphasengehaltes . . . . . . . . . 23 3 Experimentelle Methodik 25 3.1 Grundlagen und Vorgehensweise zur Entwicklung der Masseversätze . . 25 3.1.1 Auswahl der Rohstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.2 Grundlagen der Versatzberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1.3 Erläuterung der Versuchsbezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.4 Zusammenstellung der Versuchsversätze . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.5 Aufbereitung der experimentellen Versätze . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.1 Vorgehensweise zur Bestimmung und statistischen Auswertung der Festigkeitswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.2 Bestimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glasmatrix 33 3.2.3 Bestimmung der Deformation während des Sinterprozesses . . . 35 3.2.4 Analyse des Erweichungsverhalten mit dem Erhitzungsmikroskop 36 3.2.5 Wasseraufnahme, Rohdichte und offene Porosität . . . . . . . . 36 3.2.6 Reindichtebestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3 Röntgenographische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.1 Röntgenbeugungsanalytik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.2 Rasterelektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3.3 Röntgenfluoreszenzanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4 Darstellung und Diskussion der Ergebnisse 42 4.1 Betrachtung der mechanischen Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2 Reproduzierbarkeit der Ergebnisse der Bruchspannungsmessungen . . . 48 4.3 Festigkeitsentwicklung in Abhängigkeit der Porosität . . . . . . . . . . 49 4.4 Ergebnisse der mineralogischen Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . 55 4.4.1 Qualitative Darstellung der Mineralogie . . . . . . . . . . . . . . 55 4.4.2 Quantitative Darstellung der Mineralogie . . . . . . . . . . . . . 58 4.4.3 Verifizierung der Ergebnisse aus der Mineralphasenquantifizierung nach der modifizierten RIR-Methode . . . . . . . . . . . . 66 4.5 Elektronenmikroskopische Aufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.5.1 Vergleichende Betrachtung der Gefüge in Abhängigkeit der unterschiedlichen Rohstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.5.2 Vergleich der Werkstoffgefüge mit Al2O3 und Feldspatrohstoff . 79 4.5.3 Betrachtung der Mullitkristallisation . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.6 Wärmdehnungsverhalten der Glasphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.7 Deformationsverhalten während des Sinterprozesses . . . . . . . . . . . 87 5 Zusammenfassung und Ausblick 90 Literatur- und Quellenverzeichnis 95 Appendix 108

Die Herstellung keramischer Filter für den Einsatz in der Eisen- und Stahlschmelzfiltration ist mittels viskoplastischer Formgebung möglich. Es wurden keine Trägermaterialien verwendet und weitestgehend wurde ohne Zusatz organischer Additive gearbeitet. Wesentliche Ziele der Anwendung dieser Technologie waren dabei eine Festigkeitssteigerung gegenüber herkömmlichen Schaumkeramikfiltern, da keine Hohlstege, sondern Vollstrukturen erzeugt werden und die Kostenreduzierung der Gesamtbilanz, da der Brennprozess günstiger wird (es werden keine Filteranlagen mehr benötigt) und Kosten für Schäume entfallen. Eine entsprechende Struktur kann mit der Kolbenpresse in Form von ungeordneten Strängen erzeugt werden - die so genannten Spaghettifilter. Die Auswertung der Gussstücke aus Gießversuchen mit Eisenschmelze wurde mittels 3D-CT Röntgentomographie durchgeführt. Der Filtrationswirkungsgrad der Schaumfilter ist nach dieser Methode höher als der der Spaghettifilter. Die 3D CT Röntgentomographie kommt eventuell als eine einfache und zerstörungsfreie Methode zur Beurteilung der Filtrationswirkung in Frage. Das Anlegen einer Spannung im System Filter / Schmelze zeigt nach ersten Versuchen chancenreiche Ergebnisse. Durch den Polarisationseffekt kann eine Erhöhung der Abscheideeffizienz bei Schaumkeramikfiltern erreicht werden kann. Die Spaghettifilter zeigen keine Erhöhung durch spannungsunterstützte Filtration.