siliciumcarbid (sic) -ein feuerfester werkstoff mit ecken ...-ei… · einheit sic silikatbindung...
TRANSCRIPT
Siliciumcarbid (SiC)-Ein feuerfester Werkstoff
mit Ecken und Kanten-
Procermo GmbH
Feuerfeste Produkte
Dr. Uwe Morgenstern
VDI Wissensforum2. VDI FachkonferenzUlm 21.03 bis 22.03.2018
• Produktionsprozess von SiC• Aufbereitung• Rohstoffqualität / Kostenminimierung• Auswahlkriterien für Monolithische Produkte • Beispiele für SiC-Bauelemente• Spezielle Eigenschaften von SiC-Produkten• Einsatzbeispiele
Dr. Uwe Morgenstern 2
Dr. Uwe Morgenstern 3
Feuerfeste Wände
Graphite Elektrode
Reaktionszone
Metallische OxideSiliciumcarbid
Reaktionsmischung
EntweichendesKohlenmonoxid
Abbrennendes Kohlenmonoxydca. 1,5 t CO Gas
je 1t SiC
Reaktionsmischung Reaktionsmischung
Produktionsprozess von Siliciumcarbid (SiC)Nach dem ESK-Prinzip
Reaktionsmasse:
Quartzsand (SiO2) 1.5 t +
Petrolkoks (C) 1.0 t
Reagiert zu 1.0 t SiC
Aufgeschüttete Reaktionsmasse aus
SiO2 und C ca. 4.000t
Reaktionstemperatur
>2.200°C
Dr. Uwe Morgenstern 5
Abmessungen des
Meilers ohne Hülle:
Länge: 30 m
Höhe: 7 m
Breite: 20 m
Produktionsprozess von Siliciumcarbid (SiC)
Reaktionsmasse:
Quartzsand (SiO2) 1.5 t +
Petrolkoks (C) 1.0 t
Reagiert zu 1.0 t SiC
Aufgeschüttete Reaktionsmasse aus
SiO2 und C ca. 4.000t
Reaktionstemperatur
>2.200°C
Freigelegter Roh-SiC Meiler
Gewicht: ca. 400 t
Länge: 20 m
Höhe: 4-5 m
Dr. Uwe Morgenstern 6
Ofengewicht: 4.000 t
Gewicht der Walze: 300 t
SiC-Anteil > 98%: 50 t
SiC-Anteil < 98%: 250 t
Rohware in der Sortierhalle „Gebackene“ SiC-Walze vor der Trennung in SiC-Qualitätsgruppen
Dr. Uwe Morgenstern 8
SiC-Druse vor der Zerkleinerung
Kubische SiC-Körner Klasse 99%Minimale Porosität im Korn
Stengelige SiC-Körner Klasse 94-96%Hohes Porenvolumen und Risse im Korn
Klasse % SiC Porosität%
% SiO2 % Si % C % Fe2O3
I 98,0-99,0 <1 0,4 0,4 0,3 0,05
II 95,0-97,0 10-30 1,0 0,7 1,2 0,20
III 92,0-94,0 >30 2,5 0,5 3,0 0,20
Dr. Uwe Morgenstern 9
100
71
58
98,0 - 99,0 95,0 - 97,0 92,0 - 94,0
Ko
ste
nfa
kto
r [%
]
SIC-Gehalt [%]
8
Klasse I
Klasse II
Klasse III
Kosten für FeinkornAufbereitung
SiC Masse mit zu hohem Eisenanteil
Dr. Uwe Morgenstern 10
Produkte aus Siliciumcarbid für Biomasse- und Verbrennungsanlagen aller Art:Es liegen zwei Hauptgruppen vor
- Monolitische Produkte- Geformte Produkte
Zu jeder dieser Produktgruppen gibt es Unterscheidungen nach dem BindesystemMonolitische Produkte
- Säurebindung P2O5-Bindung- Cementbindungen (C; LC; ULC) (CA= CaO + Al2O3)
(hydraulisch Chemische Bindung)- Silikatische Bindung (Wasserglasbindung)
Geformte Produkte- Nitridgebundene Elemente (NSiC)- Oxinitridgebundene Elemente- Silikatisch gebundene Produkte aus SiC- Siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC)
Dr. Uwe Morgenstern 11
Betriebsparameter- Betriebstemperatur- Abrasionsbeständigkeit- Oxidierende oder Reduzierende Atmosphäre- Chloranteile im Rauchgas- Ascheabweisende Wirkung
Montagetechnik- Können die Produkte nur gespritzt werden, da der
Schalungsaufwand für ein Gießen zu aufwendig ist? - Muss eine schnelle Installationstechnik gewählt werden?- Ist der Trocknungsprozess zu minimieren?
(Möglichst geringen Wassereintrag in das Produkt).
Einbauort:- Aufgabetisch,- Seitenwände,- Zünddecke,- Randabweiser,- Überhitzer
Dr. Uwe Morgenstern 12
Beengter Montageraum
Dr. Uwe Morgenstern13
Produktname
An
we
nd
un
gste
mp
era
tur
°C
Ab
rasi
on
sbe
stän
dig
keit
Tem
pe
ratu
rwe
chse
l-
be
stän
dig
keit
Ch
lorb
est
änd
igke
it
Alk
alib
est
änd
igke
it
Ge
eig
ne
t fü
r o
xid
iere
nd
e
Atm
osp
här
e
Ge
eig
ne
t fü
r re
du
zie
ren
de
Atm
osp
här
e
Asc
he
abw
eis
en
de
Eige
nsc
haf
t
Einsatzbereiche
Promo SIC-RK-85-PT 1500 XX XX XXX XX XX XX XXXKleber für kleine keramische Elemente, mit hohem SIC-Gehalt und hoher
Saugfähigkeit.
Promo SIC-PK-85-PT 1500 XX XX XXX XX XX XX XXX Kleber von SiC-Platten und Steinen.
Promo SIC-FK-85-PT 1500 XX XX XXX XX XX XX XXXKleber für SiC-Elemente jeder Art. Abdichtmaterial für
Aluminiumschmelztiegel, Abdichtung von Pfannendeckeln.
Promo SIC-RK-70-PT 1500 XX XX XXX XX XX XXKleber für kleine keramische Elemente, mit geringem SIC-Gehalt und hoher
Saugfähigkeit.
Promo Binder P Zweite Komponente für alle säuregebundenen Produkte von Procermo.
Promo SIC-M-90-P 1500 XX XXX XXX XXX XXX XX XXX
Schutz in Schmelzkammern mit hoher Wärmeleistung, Einsatz auf
bestifteten Rohrwänden mit 1.500 bis 3.000 Stiften je m^2.
Müllverbrennungsanlagen auf bestifteten Flächen und auf Röhrchen und
Hütchen.
Promo SIC-M-85-P 1550 XX XXX XXX XXX XXX XX XXX
Schutz in Schmelzkammern mit hoher Wärmeleistung, Einsatz auf
bestifteten Rohrwänden mit 1.500 bis 3.000 Stiften je m^2. Produkt mit
höchster Dichte und WLZ.
Promo SIC-M-70-P 1500 X XX XXX XX XXX XX XXXMüllverbrennungsanlagen, Biomasseanlagen zur Übertragung von geringen
Energiemengen.
Promo SIC-M-50-P 1500 X XX XXX XX XXX XX XXMüllverbrennungsanlagen, Biomasseanlagen zur Übertragung von geringen
Energiemengen.
Promo SIC M-90-PG 1500 XX XXX XXX XXX XXX XX XXX Spritzbare Variante von Promo SIC-M-90-P.
Promo SIC M-85-PG 1500 XX XXX XXX XXX XXX XX XXX Spritzbare Variante von Promo SIC-M-85-P.
Promo SIC M-70-PG 1500 X XX XXX XX XXX XX XXX Spritzbare Variante von Promo SIC-M-70-P.
Promo SIC M-50-PG 1500 X XX XXX XX XXX XX XX Spritzbare Variante von Promo SIC-M-50-P.
Promo KOR-M-90-PG 1500 XX XXX XXX XXX XXX XX XMüllverbrennung, Papierindustrie, Brennerspiegel, Zellstoffindustrie,
rasch aushärtend.
Promo KOR-M-90-P 1500 XX XXX XXX XXX XXX XX X Spritzvariante von Promo KOR-M-90-PG.
Promo 90-S-030-S 1500 XX XXX XXX XXX XXX XX XXXMüllverbrennungsanlagen, Zykloneinläufe, abrasive Bereiche, spritzen
oder stampfen.
P
ho
sph
at B
ind
un
g
Unterscheidungsmerkmale:
Phosphatbindung
Hydraulisch / chemische Bindung
- Verarbeitung:- Spritzen,- Gießen,- Vibrieren,- Selbstverdichtend
(Freifließend)
Dr. Uwe Morgenstern 14
Geformte Produkte
Silikatische BindungMaximal 95% SiC-Gehalt möglich5% Ton als BindemittelBei Brand reagiert der Ton zur Bindephase aus Mullit und SiO2Mit abnehmendem SiC-Gehalt sinkt die Feuerfestbeständigkeit.
Nitrid BindungDer Rohmischung wird zusätzlich metallisches Si beigefügt.1. Brand unter N2-Atmosphäre
Siliciumnitrid (Si3N4) bzw. Siliciumoxinitrid (Si2ON3)
2. Brand unter oxidierender Atmosphäre. Oxidieren von metallischem Si in Oberflächennähe zu SiO2.Ziel: Aufbau einer Glasschicht auf der Oberfläche
Siliciuminfiltriertes SiC1. Formkörper wird im Schlickergußverfahren hergestellt2. Formkörper wird in eine Wanne mit metallischem Si
gestellt.3. Im Vakuum wird oberhalb von 2.000°C das Si
verdampft und in die freien Poren des Formkörpers gesaugt.
4. Es entsteht ein porenfreier Werkstoff (SiSiC)
Einheit SiC Silikatbindung NSiC Nitridebindung SiSiC Reaktionsbindung Monolithische SIC-Masse
SIC-Gehalt % 90 78 90 90
Rohdichte g/cm^3 2,6 2,65 3,05-3,10 2,5
Wasserabsorption -% 15 15 < 0,1 12-15
Phasenzusammensetzung Vol% SiC: 90
Oxyde 10
SiC: 78
Si3N4/SiN2O2: 20
SiC: 88-92
Simet: 12-8
SiC: 90
M.O.R. 4-Point, 20°C MPa 240-280
M.O.R. 3-Point, 1300°C MPa 26 52 250-300
Wärmeleitfähigkeit 200°C* W/(mK) 122 8
Wärmeleitfähigkeit 1200°C* W/(mK) 16 14 29 8,5
CTE 20-1000°C 10^-6K^-1 4,7 5,0 4,3
KDF GPa 90 153 370 85
Temp.-Schock Beständigkeit Sehr gut Sehr gut Sehr gut gut
Maximale Anwendungstemperatur
In neutraler Atmosphäre
°C ca. 1.500 ca. 1.500 ca. 1.350 ca. 1.750
Dr. Uwe Morgenstern 15
Geformte Produkte
Dr. Uwe Morgenstern 16
Geformte Produkte
Silikatisch gebundener Rohrschutz
Dr. Uwe Morgenstern 17
Geformte ProdukteHochleistungskeramik aus SiSiC
Maximale mögliche Wanddicke 8mm
Luftaustrittsdüse für einen Wirbelbettreaktor
Kühlschlange für Säurereaktor Düse zum zerstäuben von Suspensionen
Bedingt durch die hohe Härte kein Nachbearbeiten der Flächen möglich
Dr. Uwe Morgenstern 18
SiSiC -Schutzschalenach drei Jahren Betriebszeit
KonventionellgeschütztesRohr nach dreiBetriebsjahren.
Anströmrohre von Überhitzerpaketen werden mit SiSiC-Schutzschalen belegt.
NSiC-Platten: Montagezustand
Dr. Uwe Morgenstern 19
NSiC Rohrschutzplatten nach 1. Betriebsjahr nach der Reinigung
(Fegen der Wände)Dr. Uwe Morgenstern 20
Dr. Uwe Morgenstern 21
Siliciumcarbid (SiC)-Ein feuerfester Werkstoff mit Ecken und Kanten-
Umweltfreundliches Herstellungsverfahren von SiC wird von der Fa. Elektroschmelzwerk Kempen (ESK) angewendet. • Verstromung der Reaktionsgase zur Deckung des elektrischen Energiebedarfs der Öfen• Entschwefeln und entstauben der Reaktionsgase
Ursprungsnachweis der verwendeten SiC-Rohware aus umweltfreundlicher Herstellung
Qualitätsunterschiede im SIC-Gehalt von 5% bewirken eine Preisdifferenz bis zu 45%• Hohlräume, Risse, Verunreinigungen in den Einzelkörnern• Der Endverbraucher kann die Kornqualität selber nicht prüfen• Er stellt nur eine geringere Haltbarkeit fest als früher, eventuell halten Steine länger als
ungeformte Produkte
Geformte Produkte werden als Platten, Steine oder Schutzschalen am Markt angeboten.
SiSiC-Elemente eignen sich als hervorragender Verschleißschutz gegen abrasiven Angriff
22
An uns lag der Schaden
nicht...
...denn wir sind neu am
Markt.
Aber mit lang bewährter
Technik.
Dr. Uwe Morgenstern