Search papers

Article details

  • Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials
  • Vol: 69, Issue: 3, 2017
  • pp: 198-202

download: article (EN)

Improved high temperature thermal shock resistance of high alumina refractory monolithics thanks to in-situ spinel formation in a smart matrix

Abstract (EN)

In all discontinuous thermal processes, refractory linings are exposed to thermo-mechanical stress that is often responsible for premature wear. This is especially significant for monolithic refractory materials that are typically still in the green state prior to the first heat-up. Spinel has been identified as a valid countermeasure to overcome material damage caused by thermal stress a long time ago. Especially spinel forming high alumina refractory monolithics show a significant improvement. However, in service, monolithic linings are exposed to a temperature gradient and a sintered layer or zone is subsequently only formed at the hot face of the monolithic lining. Further away from the hot face, the monolithic lining remains in an unfinished state. In this weak area, the material consists therefore of an unfinished ceramic structure. Especially a zone beneath the sintered one is critical, because in this zone the thermo-mechanical impact is still high. Thermo-mechanically induced spalling is typically initiated in this zone. A smart matrix design including the particle size distribution and the spinel precursor materials allows to adjust the formation velocity and the appearance of spinel in dependence of the temperature. Distinct amounts of low temperature spinel strengthen the weak zone in the lining. Dead burned magnesia (MgO) and a raw magnesite (MgCO3) were implemented in different amounts into cement-containing and cement-free concretes. The influence on physical properties like cold modulus of rupture CMoR, the yield of spinel formed and the ductility during heat treatment were investigated. Generally speaking, the higher the firing temperature and the finer the particles, the more efficient is the spinel formation. However, the state of agglomeration, the particle size distribution and the presence of impurities of the alumina fines impact the spinel formation. By adding the spinel precursors to high alumina concretes, the CMoR is influenced. In comparison to MgCO3, MgO seems to be more efficient in promoting the formation of spinel. For an improvement of the thermal shock behaviour, not only the amount of spinel but also the fineness and its distribution play a decisive role. Overall, this information provides a valuable indication for an intelligent matrix design for improved spinel formation adjusted to service conditions.

Keywords (EN): Refractory castable, Spinel forming, Matrix design

Polepszona wysokotemperaturowa odporność na wstrząs cieplny wysokokorundowych monolitów ogniotrwałych dzięki tworzeniu się in-situ spinelu w inteligentnej osnowie

Holleyn F., Krause O., Brochen E., Dannert C., Odziomek M.

Abstract (PL)

We wszystkich nieciągłych procesach cieplnych wyłożenia ogniotrwałe wystawiane są na działanie naprężenia cieplno-mechanicznego, które często odpowiedzialne jest za przedwczesne zużycie. Jest to szczególnie warte odnotowania w przypadku monolitycznych materiałów ogniotrwałych, które są w sposób typowy stabilne w stanie surowym przed pierwszym ogrzaniem. Już dawno temu spinel został zidentyfikowany jak ważny czynnik pozwalający uniknąć zniszczenia materiału spowodowanego przez naprężenie cieplne. Znaczące polepszenie pokazują w szczególności ogniotrwałe monolity wysokokorundowe wytwarzające spinel. Jednak podczas użytkowania monolityczne wyłożenia wystawiane są na działanie gradientu temperatur i w wyniku tego warstwa lub strefa spieczona jest tylko tworzona na gorącej stronie monolitycznego wyłożenia. Daleko dalej od strony gorącej monolityczne wyłożenie pozostaje w stanie niedokończonym. W tym słabym obszarze dlatego, materiał składa się z niedokończonej struktury ceramicznej. Szczególnie krytyczna jest strefa tuż pod strefą spieczoną ponieważ w tej strefie szczególnie mocne jest uderzenie termo-mechaniczne. Łuszczenie wywołane termo-mechanicznie jest typowo inicjowane w tej strefie. Projekt inteligentnej osnowy obejmujący rozkład wielkości cząstek i materiały prekursorów spinelu pozwala dostosować szybkość tworzenia i pojawiania się spinelu w zależności od temperatury. Wyraźne ilości niskotemperaturowego spinelu zwiększają wytrzymałość wspomnianej słabej strefy wyłożenia. Magnezja palona (MgO) i magnezyt (MgCO3) zostały dodane w różnych ilościach do betonów cementowych i bezcementowych. Zbadano wpływ właściwości fizycznych takich jak wytrzymałość na zginanie na zimno CMoR, uzysk utworzonego spinelu i plastyczność podczas obróbki cieplnej. Ogólnie mówiąc, im wyższa temperatura wypalania i drobniejsze cząstki, tym wydajniejszy jest proces tworzenia spinelu. Jednakże stan zaglomerowania, rozkład wielkości cząstek i obecność zanieczyszczeń w drobno zmielonym korundzie oddziałują na proces powstawania spinelu. Dodanie prekursora spinelowego do betonu wysokokorundowego oddziaływało na wartości CMoR. MgO wydaje się bardziej wydajny w promowaniu powstawania spinelu w porównaniu z MgCO3. Nie tylko ilość spinelu ale również drobnoziarnistość i rozkład wielkości cząstek odgrywają decydującą rolę w przypadku poprawy odporności na wstrząs cieplny. Ogólnie informacja ta dostarcza wartościowej wskazówki do projektowania inteligentnej osnowy poprawienia warunków tworzenia spinelu dostosowanych do warunków użytkowania.

Keywords (PL): materiały ogniotrwałe odlewane, powstawanie spinelu, projekt osnowy

return…