Herstellungsprozess von MgO-C-Steinen
Zu den Hauptrohstoffen für MgO{0}}C-Steine gehören Schmelzmagnesia oder Sintermagnesia, Flockengraphit, organische Bindemittel und Antioxidantien.
Magnesia
Magnesia ist der Hauptrohstoff für die Herstellung von MgO{0}}C-Steinen, die in geschmolzener und gesinterter Form erhältlich sind. Im Vergleich zu Sintermagnesia weist Schmelzmagnesia Vorteile wie größere Periklas-Kristallkörner und eine höhere Schüttdichte auf, was es zum bevorzugten Rohstoff für die Herstellung von MgO-C-Ziegeln macht. Für die Herstellung gewöhnlicher feuerfester Materialien auf Magnesia-Basis sind die Hauptanforderungen an Magnesia-Rohstoffe eine hohe Temperaturfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Daher liegt der Schwerpunkt auf der Reinheit von Magnesia sowie dem C/S-Verhältnis und dem B₂O₃-Gehalt in seiner chemischen Zusammensetzung. Mit der Entwicklung der metallurgischen Industrie und immer härteren Schmelzbedingungen erfordert die in MgO-C-Steinen für metallurgische Ausrüstung (Konverter, Elektroöfen, Pfannen usw.) verwendete Magnesia nicht nur eine spezifische chemische Zusammensetzung, sondern auch eine hohe Dichte und große Kristallitgröße im Hinblick auf die Mikrostruktur.
Herstellungsprozess von Magnesia-Kohlenstoffsteinen. Kohlenstoffquelle
Ob in herkömmlichen MgO{0}}C-Steinen oder in weit verbreiteten kohlenstoffarmen MgO-C-Steinen, Flockengraphit wird hauptsächlich als Kohlenstoffquelle verwendet. Graphit ist ein wichtiger Rohstoff für MgO-C-Steine, vor allem aufgrund seiner hervorragenden physikalischen Eigenschaften: ① Nicht-Benetzbarkeit durch Schlacke; ② hohe Wärmeleitfähigkeit; ③ geringe Wärmeausdehnung. Darüber hinaus erfährt Graphit bei hohen Temperaturen kein eutektisches Schmelzen mit feuerfesten Materialien und weist eine hohe Feuerfestigkeit auf. Die Reinheit von Graphit beeinflusst die Leistung von MgO-C-Steinen erheblich; Im Allgemeinen ist Graphit mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 95 %, vorzugsweise mehr als 98 %, erforderlich.
Neben Graphit wird bei der Herstellung von Magnesia--Kohlenstoffsteinen häufig auch Ruß verwendet. Ruß ist ein hochdisperses, schwarzes, pulverförmiges, kohlenstoffhaltiges Material, das durch thermische Zersetzung oder unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffverbindungen entsteht. Es verfügt über feine Partikel (weniger als 1 μm), eine große spezifische Oberfläche, einen Kohlenstoffgehalt von 90–99 %, eine hohe Reinheit, einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand, eine hohe thermische Stabilität und eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit und gehört zur Kategorie der nicht-graphitisierenden Kohlenstoffe. Durch die Zugabe von Ruß kann die Abplatzbeständigkeit von MgO-C-Steinen wirksam verbessert, der Restkohlenstoffgehalt erhöht und die Ziegeldichte erhöht werden.
Bindemittel
Zu den gängigen Bindemitteln, die bei der Herstellung von MgO-C-Steinen verwendet werden, gehören Kohlenteer, Kohlenteerpech, Erdölpech sowie spezielle kohlenstoffhaltige Harze, Polyole, Pech-modifizierte Phenolharze, Kunstharze usw. Die verwendeten Bindemittel können in die folgenden Typen eingeteilt werden:
Pitch-basierte Materialien. Kohlenteerpech ist ein thermoplastisches Material mit Vorteilen wie einer starken Affinität zu Graphit und Magnesia, einem hohen Restkohlenstoffanteil nach der Karbonisierung und niedrigen Kosten; es war in der Vergangenheit weit verbreitet. Allerdings enthält Steinkohlenteerpech krebserregende aromatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere große Mengen Benzopyren. Aufgrund des zunehmenden Umweltbewusstseins nimmt der Einsatz von Steinkohlenteerpech mittlerweile ab.
Materialien auf Harzbasis-. Kunstharz entsteht durch die Reaktion von Phenol und Formaldehyd. Es lässt sich bei Raumtemperatur gut mit feuerfesten Partikeln mischen und weist nach der Karbonisierung einen hohen Restkohlenstoffanteil auf, was es zum derzeit wichtigsten Bindemittel für MgO-C-Steine macht. Die nach der Karbonisierung gebildete glasartige Netzwerkstruktur ist jedoch nicht ideal für die Temperaturwechselbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit des feuerfesten Materials.
Modifizierte Materialien auf Basis von Pech und Harz. Wenn das Bindemittel nach der Karbonisierung eine Kohlenstoffstruktur und In-situ-Kohlenstofffasern bilden kann, kann es die Hochtemperaturleistung des feuerfesten Materials verbessern.
Antioxidantien
Um die Oxidationsbeständigkeit von MgO{0}}C-Steinen zu verbessern, werden häufig geringe Mengen an Zusatzstoffen zugesetzt. Zu den üblichen Additiven gehören Si, Al, Mg, Al-Si, Al-Mg, Al-Mg-Ca, Si-Mg-Ca, SiC, B₄C, BN und die kürzlich veröffentlichten Al-B-C- und Al-SiC-C-Systeme. Der Mechanismus von Additiven kann grob in zwei Aspekte unterteilt werden: Zum einen aus thermodynamischer Sicht, wobei die Additive oder ihre Reaktionsprodukte mit Kohlenstoff bei Arbeitstemperaturen eine größere Affinität zu Sauerstoff haben als Kohlenstoff, wodurch sie bevorzugt oxidiert werden und den Kohlenstoff schützen. Die andere ist aus kinetischer Sicht: Die Verbindungen, die durch die Reaktion von Additiven mit O₂, CO oder Kohlenstoff entstehen, verändern die Mikrostruktur des kohlenstoffhaltigen feuerfesten Materials, indem sie beispielsweise die Dichte erhöhen, Poren verstopfen und die Diffusion von Sauerstoff und Reaktionsprodukten behindern.
