Nahezu alle Rohstoffe, die bei der Herstellung von Feuerfestmaterialien verwendet werden, sind in der Natur vorkommende Mineralien. Rohstoffe, die beim Erhitzen viel Volumen oder Gewicht verlieren, werden in Drehrohröfen vorgewärmt, um dichte und stabile Rohstoffe zu erhalten.
Aufgrund der gestiegenen Anforderungen an Reinheit und Eigenschaften der Feuerfestmaterialien werden zunehmend synthetische Rohstoffe eingesetzt.
Wichtigste Rohstoffe
- Siliciumdioxid
Die für die Herstellung von Silikasteinen verwendeten Rohstoffe müssen einen SiO2-Gehalt von über 95 % aufweisen. Quarzit-Rohstoffe sind kompakte körnige Gesteine, die in der Natur unter Tage vorkommen.
- Schamotte / Mullit
Schamotte mit unterschiedlichem Aluminiumoxidgehalt wird durch Mischen aluminiumoxidreicher mineralischer Rohtone (in der Regel Materialien auf Kaolinitbasis) und deren Kalzinierung bei einer Temperatur von 1500 bis 1600°C hergestellt. Bei dieser Temperatur reagieren die Tone miteinander und ergeben das Feuerfestmaterial, das in der Regel eine Mischung aus Mullit, Quarz, Cristobalit und einer Glasphase ist, welche die Verunreinigungen der Rohstoffe enthält. Durch Steuerung des Anteils jedes mineralischen Tons in der Ausgangsmischung lässt sich ein Feuerfestprodukt mit dem gewünschten Aluminiumoxidgehalt herstellen. Für Schamotte mit hohem Aluminiumoxidgehalt können jedoch bauxitische Mineralien mit den kaolinitischen Materialien gemischt werden, oder es kann eine Mischung aus bauxitischen Mineralien und Quarzsand verwendet werden, um ein Feuerfestprodukt mit einem Aluminiumoxidgehalt von 60 bis 70 % herzustellen. Die wichtigsten Quellen für hochwertige Schamotte sind die Vereinigten Staaten, China, Frankreich und Südafrika.
- Sillimanit, Andalusit und Kyanit
Die Mineralien Sillimanit, Andalusit und Kyanit kommen häufig in vulkanischen Gesteinen und deren Verwitterungsprodukten vor. Sillimanit, Andalusit und Disthen zersetzen sich beim Brennen zu einer Mischung aus Mullit und Siliciumdioxid. Abgebaut werden sie vor allem in Südafrika, den Vereinigten Staaten und Frankreich.
- Bauxit
Die Bauxit genannte Gesteinsart ist lateritischen Ursprungs und durch ihren hohen Aluminiumoxidgehalt (Al2O3) gekennzeichnet. Sie entsteht durch kontinentale Verwitterung in heissen, feuchten Klimazonen. Bauxit enthält wechselnde Anteile an Aluminiumoxidhydrat, Kaolinit, Siliciumdioxid und Eisenoxiden, die ihm häufig eine rote Färbung verleihen. Australien ist mit knapp einem Drittel der Weltproduktion der grösste Bauxitproduzent, gefolgt von China und Brasilien.
Bauxit in Feuerfestqualität muss einen hohen Aluminiumoxid- und einen sehr niedrigen Alkaligehalt aufweisen. Auch die Gehalte an Eisenoxid und Titan im Erz sind sehr wichtig, da sie die Hochtemperaturbeständigkeit des Feuerfestmaterials beeinflussen. Zur Herstellung des in Feuerfestmaterialien verwendeten Bauxits werden die Erze bei 1600 – 1650°C kalziniert, um dichte und volumenstabilere Aggregate zu erzeugen. Die Aluminiumhütten des GCC produzieren diese Art von Aluminiumoxid bereits für ihren Bedarf in Elektrolysezellen.
- Zirkonsand
Zirkonsand ist ein natürlicher Sand mit hervorragenden feuerfesten Eigenschaften. Zirkonsand wird auch als Zirkoniumsilikat (ZrSiO4) bezeichnet.
synthetische Rohstoffe
- Sinter-/Schmelzkorund
Die aluminiumoxidreichsten Feuerfestmaterialien sind synthetische Werkstoffe, die bei sehr hohen Temperaturen entstehen. Es gibt drei allgemeine Kategorien: Sinterkorund, braunen Schmelzkorund (Brown Fused Alumina BFA) und weissen Schmelzkorund (White Fused Alumina WFA).
Brauner Schmelzkorund wird durch Schmelzen von Bauxit im Elektrolichtbogenofen gewonnen. Dabei lassen sich Verunreinigungen als Ferrolegierung entfernen. Der Schmelzkorund wird anschliessend abgekühlt und verfestigt, bevor er zu Fraktionen der gewünschten Grösse verarbeitet wird.
WFA entsteht auf dieselbe Weise wie BFA, doch die Aluminiumoxidquelle ist in diesem Fall kalziniertes Aluminiumoxid aus dem Bayer-Verfahren. Beim Bayer-Verfahren wird Bauxit mit Natronlauge behandelt, um Aluminiumhydroxid auszufällen, das anschliessend auf 1200-1300°C erhitzt wird, um kalziniertes Aluminiumoxid zu erzeugen. Aufgrund der höheren Reinheit des Ausgangsmaterials ist das WFA-Produkt reiner als BFA und weist einen Al2O3-Gehalt von 99,5 % auf.
- Magnesia
Feuerfeste Werkstoffe, die aus Magnesit (MgCO3) oder Magnesiumchlorid (MgCl2) aus Meerwasser oder Solen gewonnen werden, bilden die Grundlage für Sinter- oder Schmelzmagnesia. Sintermagnesia (MgO) wird in der Regel in Schacht- oder Drehrohröfen gebrannt, um das Karbonat zu entfernen und es zu geringer Porosität zu sintern; für Kalzinierung und Sinterung werden häufig getrennte Öfen verwendet. Schmelzmagnesia wird durch elektrisches Schmelzen hergestellt, entweder direkt aus dem Karbonat oder aus kalzinierter Magnesia. Magnesia wird überwiegend in China produziert. Weitere Erzeugerländer sind Brasilien, Russland, die Türkei, Polen und Österreich.
- Kohlenstoff und Graphit
Graphit und Kohlenstoff sind natürliche Mineralien, die in verschiedenen metamorphen Gesteinen vorkommen und vor ihrer Verwendung als Flockengraphit in Feuerfestprodukten durch Mahlen und Flotation angereichert werden müssen. Die wichtigsten Lieferanten befinden sich in China.
Zusammenfassend: Feuerfestmaterialien, die in Hochtemperaturindustrien unverzichtbar sind, werden überwiegend aus natürlichen Mineralien hergestellt. Um ihre Eigenschaften zu optimieren und den immer höheren Anforderungen industrieller Prozesse gerecht zu werden, durchlaufen diese Rohstoffe komplexe thermische und physikalisch-chemische Behandlungen. Parallel dazu eröffnet das Aufkommen synthetischer Werkstoffe wie Sinterkorund oder Schmelzmagnesia neue Perspektiven in Bezug auf Reinheit, Beständigkeit und Haltbarkeit. Die Wahl der Rohstoffe und Fertigungsverfahren hängt eng von den vorgesehenen Anwendungen und den thermischen und chemischen Belastungen ab, denen die Feuerfestmaterialien ausgesetzt sein werden.
Xavier Schuster
Berater bei SXE Consulting. Industrieberatung mit Sitz in Luxemburg, 25 Jahre Erfahrung in operativer Exzellenz.
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