Feuerfester Werkstoff

Als feuerfest bezeichnet man in der Technik im allgemeinen keramische Erzeugnisse und Werkstoffe mit einer Einsatztemperatur von über 600 °C. Laut Definition (DIN 51 060) sind jedoch nur Werkstoffe mit einen Kegelfallpunkt größer SK 17, was in etwa 1500 °C entspricht, als feuerfest zu bezeichnen. Diese Grenztemperatur hat technisch keine wirkliche Relevanz, ist jedoch zolltechnisch und bergbaurechtlich von Belang.

Die Hauptkomponenten anorganischer nichtmetallischer Materialien (Keramik und Glas, Glaskeramik, Glasfasern und Mineralfasern) sind die Oxide SiO₂, Al₂O₃, MgO, CaO, ZrO₂ und Cr₂O₃. Zudem sind Kohlenstoff (C) und Siliciumcarbid (SiC) wichtige Komponenten. Außerdem muss man die sog. Refraktärmetalle (Molybdän, Wolfram) sowie die Platingruppenmetalle (Edelmetalle) und ihre Legierungen auf Grund ihrer hohen Schmelzpunkte und ihrer chemischen Beständigkeit gegenüber vielen Schlacken und Schmelzen zu den feuerfesten Werkstoffen zählen.

Genauer wäre folgende Definition: Refraktärwerkstoffe sind metallische und keramische Materialien für Einsatztemperaturen (ab 300 °C) über 600 °C (hier gibt es keine allgemeingültige Definition!) bis über 1700 °C, die im direkten Wärmekontakt zu einem Hochtemperaturprozess (z. B.: Schmelzen von Metallen oder Glas; Brennen von Keramik) und zu seinen thermischen Folge- und Nebenprozessen (Formgebung, Wärmebehandlung,..) stehen.

Hauptanwendungszweck der feuerfesten Werkstoffe sind also Ofenauskleidungen der Eisen- und Stahl, Glas-, Aluminium-, Zement- und Keramischen Industrie sowie formgebende Werkzeuge in den genannten Industriezweigen. Dabei spielt bei der Auswahl der für einen Prozeß geeigneten Werkstoffe nicht nur die Temperatur eine wichtige Rolle sondern auch die Atmosphäre, die minimale zeitliche Haltbarkeit bzw. Einsatzfähigkeit, die chemische Beständigkeit, die erreichbare mechanische Festigkeit u. a. m.

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Herstellung

Die Herstellung der hochtemperaturbeständigen Materialien hängt von der Werkstoffklasse (Keramik, Metall, Verbundmaterial) ab, wird aber auch durch die erforderlichen Materialeigenschaften für den geplanten Anwendungszweck maßgeblich bestimmt. Es kommen eigentlich alle Produktionsverfahren für die Herstellung feuerfester Werkstoffe zum Einsatz, die für die jeweilige Werkstoffgruppe spezifisch sind. Bei Keramiken sind dies u. a. Pressen, Gießen, Stampfen, Schmelzguss und bei Metallen Legieren, Walzen, Schmelzen, ... .

Wirtschaftliche Daten

Weltweit wurden 1997 ca. 17,8 Mio. t an feuerfesten Materialien erzeugt, während es 2001 nur noch etwas über 12 Mio. t waren. In Deutschland sank die Produktion von feuerfesten Werkstoffen von über 1,6 Mio. t im Jahr 1980 auf knapp unter 1 Mio. t im Jahr 2004.

Der Bedarf an Refraktärmetallen und PGM steigt zwar weltweit, dieser Anstieg ist jedoch nicht durch Anwendungen im Feuerfestbereich bedingt sondern auf Grund anderer Einsatzgebiete. Zur Zeit (2005) werden pro Jahr ca. 140.000 t Molybdän weltweit erzeugt, ca. 40.000 t Wolfram und ca. 120 t Platin (aus der Primärproduktion) sowie ca. 100 t der anderen PGM.

Der Preis für eine Tonne an Refraktärmaterial bzw. dessen Hauptrohstoff (im Jahr 2005) ist in seiner Größenordnung für einige Werkstoffe augeführt. Bei den Platingruppenmetallen wir der Preis durch die Tagesbörse bestimmt, bei den anderen Materialien vor allem durch die Nachfrage an einzelnen Rohstoffen, die aber in anderen Industriezweigen massenhaft eingesetzt werden:

Einsatzverhalten

Das "Problem" aller Refraktärwerkstoffe ist, dass sie trozt ihrer relativen Unempfindlichkeit gegenüber der Umgebung und der hohen Temperatur, einem mehr oder wenig heftigen Verschleiß unterliegen. Die Lebens- bzw. Einsatzdauer für feuerfeste Produkte beträgt zwischen wenigen Tagen und vielen Jahren. Diese ist abhängig von der Temperatur im Einsatzfall, der chemischen Beständigkeit gegenüber umgebenden Medien bei den hohen Temperaturen, von den Werkstoffeigenschaften, Betriebsweise der Aggregate u.v.m.

"Feuerfeste" Erzeugnisse im täglichen Leben

Viele Erzeugnisse des täglichen Lebens sind nicht feuerfest sondern wärmeverträglich, hitzebeständig, temperaturwechselbeständig oder schwer entflammbar, werden jedoch im allgemeinen Sprachgebrauch und in der Werbung als "feuerfest" bezeichnet. Ein bekanntes Beispiel ist "feuerfestes" Glas (früher sog. Jenaer Glas, ein Borosilicatglas, bzw. heute meist Glaskeramiken).

Die Auskleidung von Kaminöfen (Schamotte), das Sichtfenster (meist eine Glaskeramik [Robax]) der Öfen, die Baustoffe von Kachelöfen sind Beispiele für feuerfeste Werkstoffe im täglichen Gebrauch.

Literatur

allgemein

• W. Schulle, „Feuerfeste Werkstoffe“, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie (1991), ISBN 3342003065
• G. Routschka (Hrsg.), „Taschenbuch Feuerfeste Werkstoffe.“, Vulkan-Verlag (2001), ISBN 3802731506

für Glasanwendungen

• F. Gebhardt, M. Dunkl, K. Wieland, J. Disam, B. Fleischmann: "Feuerfeste Werkstoffe für die Glasindustrie und deren Prüfung". Verlag der Deutschen Glastechnischen Gesellschaft, Frankfurt/M., 1998. ISBN 3-921089-24-7
• B. Fleischmann, G. Wachter, A. Winkelmann, C. Jatzwauk, B. Schmalenbach: "Glasschmelzofenbau - Feuerfeste Werkstoffe und konstruktive Merkmale". Verlag der Deutschen Glastechnischen Gesellschaft, Offenbach/M., 2005. ISBN 3-921089-44-1
• W. Simader, U. Jantsch, M. Oechsle, D. Lupton, R. Rathke, D. Coupland: "Production, properties and applications of refractory and platinum group metals for the contact with glass melts". Verlag der Deutschen Glastechnischen Gesellschaft, Offenbach/M., 2006. ISBN 3-921089-49-2