MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op)

Transkriptio

1 MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op) 2. Luento - Ke Tulenkestävät materiaalit Marko Kekkonen MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3op) Luennon sisältö Tulenkestävien materiaalien luokittelu - Kemiallinen / Mineraloginen koostumus Tulenkestävien materiaalien kehitys 2 1

2 Tulenkestävien luokittelu Useita tapoja - Kemiallinen tai Mineraloginen pääkomponentti - Muoto tiilet massat kuidut kappaleet - Huokoisuus tiheät tuotteet < 45 tilavuusprosenttia eristystuotteet > 45 tilavuusprosenttia - Sidostyyppi - Käyttökohde - Ominaisuudet 3 Tulenkestävien materiaalien luokittelu Kemiallinen koostumus Tärkein luokitteluperuste Standardin mukainen luokittelu ISO 1109 Luokittelu oksidisiin ja ei-oksidisiin materiaaleihin Luokittelu happamiin ja emäksisiin materiaaleihin 4 2

3 Tulenkestävien materiaalien luokittelu Kemiallinen koostumus Standardin mukainen luokittelu (ISO 1109) MgO-CaO 5 Tulenkestävien materiaalien luokittelu Kemiallinen koostumus Luokittelu oksidisiin ja ei-oksidisiin materiaaleihin SiO 2 -Al 2 O 3 pohjaiset materiaalit - silika - samotti - aloksi MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit - magnesia - magnesiakromi / kromimagnesia - kromiitti - forsteriitti - doloma ZrO 2 -pohjaiset materiaalit - zirkonia - zirkoni Ei-oksidiset materiaalit Grafiitti/hiili Karbidit - piikarbidit - muut karbidit Nitridit ja oksinitridit Boridit Silisidit MgO-Al 2 O 3 -pohjaiset materiaalit - spinelli 6 3

4 Tulenkestävien materiaalien luokittelu Kemiallinen koostumus Oksidiset tulenkestävät materiaalit voidaan jakaa happamiin (RO 2 ), neutraaleihin ja emäksisiin (RO). Voimakas happo ja voimakas emäs reagoivat helposti ts. esim. emäksinen kuona ja hapan tulenkestävä reagoivat voimakkaasti, mikä voi rikkoa tulenkestävän vuorauksen. Jos kuonan ja tulenkestävän materiaalin emäksisyysero on suuri, kuona käyttäytyy aggressiivisesti. On siis käytettävä hapanta vuorausta hapanta kuonaa vasten ja emäksistä vuorausta emäksistä kuonaa vasten 7 Kemiallinen ja mineraloginen koostumus? Kemiallinen koostumus kertoo, missä suhteessa alkuaineet esiintyvät jossain faasissa, yhdisteessä tai materiaalissa - Voidaan esittää kemiallisten yhdisteiden (esim. SiO 2, Al 2 O 3, CaO) määrinä alkuaineiden sijasta Mineraloginen koostumus kertoo, missä suhteessa mineraaleja esiintyy jossain materiaalissa. Yhdisteen kemiallinen nimi ottaa kantaa vain kemialliseen koostumukseen: Esim. pii(di)oksidi = SiO 2 ottamatta kantaa aineen olomuotoon/kiderakenteeseen Mineraalinimi kiinnittää kemiallisen koostumuksen lisäksi myös kiderakenteen Esim. kvartsi = trigonisen (tai heksagonisen) kiderakenteen omaava kiinteä SiO 2 (a tai b) Lähde: Eetu-Pekka Heikkinen. Tulenkestävät materiaalit pyrometallurgisissa prosesseissa. Metallurgiset prosessit ja niiden mallinnus,

5 Tulenkestävissä materiaaleissa esiintyviä mineraaleja Tulenkestävien materiaalien käyttäytyminen riippuu niiden mineraalikoostumuksesta. Tieto kemiallisesta koostumuksesta ei ole riittävä. Mineraalikoostumuksen perusteella voidaan päätellä yhdisteen sulamiskäyttäytyminen sekä stabiilisuus eri prosessiolosuhteissa. Puhtaiden mineraalien sulamispisteet korkeita. Epäpuhtauden voivat laskea niitä hyvinkin radikaalisti. 9 Jaetaan kolmeen pääryhmään 1. Silikatuotteet - silikatuotteet SiO 2 93% - semi-silikatuotteet 85% SiO 2 < 93% 2. Samottituotteet - 10% Al 2 O 3 < 30% - 30% Al 2 O 3 < 45 % 3. Aloksituotteet Alumiinisilikaatteja - Al 2 O 3 56 % - 45% Al 2 O 3 < 56 % 10 5

6 1. Silikatuotteet Puhdas SiO 2 sulaa 1713 C:ssa Jo hyvin pienet pitoisuudet epäpuhtauksia laskevat huomattavasti silikamateriaalin sulamislämpötilaa. fi valmistuksessa käytettävä puhtaita raaka-aineita Silikatuotteet SiO 2 :lla on kolme eri pääkidemuotoa: kvartsi, tridymiitti ja kristobaliitti. Kullakin niistä on omanlaisensa käyttäytyminen lämpötilan funktiona. SiO 2 :n faasimuutoksiin liittyy suuria tilavuudenmuutoksia, jotka voivat aiheuttaa jännityksiä ja rikkoa vuorauksen. Piidioksidinolomuoto tuotteessa on tunnettava ja tiedettävä kuinka esiintyvät faasit muuttuvat käyttöolosuhteissa. 12 6

7 1. Silikatuotteet Kvartsin lämpölaajeneminen on voimakasta etenkin 573 C:ssa. a-kvartsi «b-kvartsi Tilavuuden muutos 0,8-1,3 % - Reversiibeli reaktio Silikatuotteet Suurin muutos tilavuudessa (14,4%) tapahtuu 870ºC:ssa kun b-kvartsi fib2-tridymiitti 14 7

8 1. Silikatuotteet 1470 C:ssa b2-tridymiitti fi b-kristobaliitti Tilavuuden muutos 0 % n. 260 C:ssa b-kristobaliitti «a-kristobaliitti Tilavuuden muutos 2,0-2,8 % 15 SiO 2 :n muutokset Lämpölaajeneminen, % Silikatiilet ovat varsin herkkiä lämpötilanmuutoksille alle 600 C lämpötiloissa. Kerran ylöslämmitetty vuoraus hajoaa pirstoutuen, jos ko. lämpötila jälleen alitetaan (kunnossapito- ja seisokkiongelma). Kuva: A.M. Garbers-Craig; Presidential address: How cool are refractory materials? The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Vol 28, September

9 1. Silikatuotteet Etuja: - Korkeissa lämpötiloissa ne kestävät lämpöshokkeja hyvin ja säilyttävät lujuutensa korkeisiin lämpötiloihin asti. Heikkouksia: - SiO 2 on epästabiili deoksidoituja terässulia vastaan. Lisäksi se omaa suuren affiniteetin mm. alkaleihin muodostaen alhaalla sulavia yhdisteitä. - Voimakkaasti pelkistävät (kork. CO-pitoisuus ja vetyä sisältävät) kaasut pelkistävät silikaa. SiO 2 + 2CO(g) = Si + 2CO 2 (g) - Suuret tilavuudenmuutokset faasimuutosten yhteydessä. SiO 2 = 2[Si] + [O] Tuotantoseisokin aikana uunia tulisi lämmittää, jottei lämpötila laskisi liian alas Silikatuotteet SiO 2 on erinomainen lämmönvaihtomateriaali, jonka vuoksi sitä käytetään mm. koksaamouuneissa. T = ºC T = 1200ºC 18 9

10 2. Samotti-tuotteet Samotiksi kutsutaan materiaaleja, jotka sisältävät 10-45% Al 2 O 3 :a Samotit jaetaan edelleen - happamiin 10% Al 2 O 3 < 30% - varsinaisiin samottimateriaaleihin 30 % Al 2 O 3 < 45%. Samottien käyttö perustuu mulliitin (Al 6 Si 2 O 3 ) syntymiseen poltettaessa - tulenkestävä materiaali jolla on vähäinen lämpölaajeneminen Samotti-tuotteet Suuri likviduksen ja soliduksen poikkeaminen toisistaan! Puuroalue (5) on maksimissaan 255 C:a fi Massat ja tiilet pehmenevät vähitellen laajalla lämpötila-alueella sulan-muodostuksen seurauksena

11 2. Samotti-tuotteet Keilasulamispisteet ovat kaikille samottituotteille erittäin korkeita. Painepehmeneminen (joka määrää pitkälle tiilen tai massan korkeimman käyttölämpötilan) tapahtuu laajasta puuroalueesta johtuen huomattavasti matalammissa lämpötiloissa. fi SiO 2 -Al 2 O 3 -systeemin materiaaleja ei voi asettaa kantaviin rakenteisiin korkeisiin lämpötiloihin, vaikka ne ovatkin muuten tulenkestäviä Samotti-tuotteet Samottituotteissa on aina sitoutumatonta SiO 2 :a. Tästä johtuen tuotteet ovat erityisen herkkiä kaikille reaktioille, jotka synnyttävät SiO 2 :n kanssa matalalla sulavia yhdisteitä (K 2 O, Na 2 O, FeO ja CaO). Käyttö vähentynyt, kun kasvavien laatuvaatimusten vuoksi on siirrytty entistä enemmän korkea-aloksisiin ja emäksisiin vuorauksiin. Käytetään mm. lämpökäsittelyuunien tulenkestävinä ja lisäksi taustavuorauksina

12 3. Aloksi-tuotteet Aloksituotteet jaetaan alumiinioksidipitoisuuden perusteella kahteen ryhmään: - Al 2 O 3 56 % - 45% Al 2 O 3 < 56 % Aloksi-tuotteet Tyypillistä aloksituotteille on: - Korkea tulenkestävyys - Korkea kuumalujuus - Hyvä kuonankesto - Verrattain hyvä lämpöshokin kesto Al 2 O 3 -pitoisuuden nostaminen materiaalissa parantaa sen tilavuuspysyvyyttä, kuonan kestoa, tulenkestävyyttä etenkin paineen alaisena sekä kulutuskestävyyttä (fi korundi). Aloksituotteita käytetään myös grafiittilisättyinä, jolloin niiden lämpöshokin sekä kuonan kesto paranevat. Käytetään runsaasti erilaisissa vaativissa teräksenvalmistuksen kohteissa mm. senkoissa, stoppareissa, liukusuljinlevyissä, valuputkissa, puulauskivissä jne

13 Tulenkestävien materiaalien luokittelu Kemiallinen koostumus Luokittelu oksidisiin ja ei-oksidisiin materiaaleihin SiO 2 -Al 2 O 3 pohjaiset materiaalit - silika - samotti - aloksi MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit - magnesia - magnesiakromi / kromimagnesia - kromiitti - forsteriitti - doloma ZrO 2 -pohjaiset materiaalit - zirkonia - zirkoni Ei-oksidiset materiaalit Grafiitti/hiili Karbidit - piikarbidit - muut karbidit Nitridit ja oksinitridit Boridit Silisidit MgO-Al 2 O 3 -pohjaiset materiaalit - spinelli 25 MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit Käyttö lisääntynyt etenkin terästeollisuudessa. Tämän ryhmän tuotteet ovat useimmiten erittäin tulenkestäviä ja ovat kestäviä emäksisiä kuonia vastaan. Materiaalit kestävät erittäin hyvin korkeita lämpötiloja myös paineen alaisina. Luokkaan kuuluvat: 1. Magnesia 2. Magnesiakromi/Kromimagnesia 3. Kromiitti 4. Forsteriitti 5. Doloma Nimeäminen MgO:n määrän mukaan 26 13

14 MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit 1. Magnesia Pääkomponenttina on MgO ( 80%) eli periklaasi, jonka ominaisuudet pitkälti määräävät materiaalin laadun Periklaasin sulamislämpötila on 2800 C ja lämpölaajeneminen 1,8 % 1400 C asteeseen Periklaasilla ei tapahdu kidemuodonmuutoksia lämpötilan noustessa. 27 MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit 1. Magnesia Epäpuhtaudet (Fe 2 O 3, CaO ja SiO 2 ) Magnesiamateriaaleissa esiintyviä mineraaleja - Alentavat MgO:n sulamispistettä Samalla tiilen kemiallinen kesto heikkenee. Epäpuhtaudet rikastuvat tiilen polton yhteydessä yleensä sidefaasiin, josta seuraa sidonnan alttius kemiallisille reaktioille käytön aikana. Sidefaasi on useimmiten tiilen heikoin osa kemiallisesti

15 MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit 1. Magnesia Tavallisilla magnesiatiilillä on korkea kylmäpuristuslujuus ja pieni huokoisuus muttaheikohko kestävyys lämpötilanvaihteluja vastaan. Viimeksi mainittua ominaisuutta voidaan parantaa pienellä Cr 2 O 3 -lisäyksellä. Kuonan kestävyyden lisäämiseksi magnesiatiilet voidaan impregnoida tervalla, jolloin krakkautunut hiili estää kuonan tunkeutumista heikentämällä kuonan ja periklaasin välistä kostutusta (kts. yhdistelmätuotteet) 29 MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit 2. Magnesiakromi ja Kromimagnesia Magnesiakromi 55% MgO < 80% ja Kromimagnesia 25% MgO< 55 % Etuja: - Alin lämpötila, jossa systeemissä alkaa muodostua sulaa, on n C, joten kaikki koostumukset ovat erittäin tulenkestäviä. - Vuorauksilla on hyvä tulenkestävyys, lämmönvaihtelukestävyys ja kuonan kestävyys. Kuva: H. Jansen, Magnesia-Based refractories, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, , POHTO, Oulu

16 MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit 2. Magnesiakromi ja Kromimagnesia Haittoja: - Tiilet sisältävät jonkin verran rautaoksidia johtuen niiden valmistuksessa käytettävästä kromiitista. - Ryhmän tiilet tuhoutuvat lähinnä lohkeilemalla. Jos hapettavat ja pelkistävät olosuhteet vuorottelevat, lohkeilu nopeutuu, sillä raudan hapetusaste voi muuttua. Magnesia-kromi- ja kromi-magnesia-materiaalit sopivat hyvin sekä rauta- että ei-rautametallurgisiin prosesseihin. Voidaan käyttää esim. valokaariuunissa 31 MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit 3. Kromiitti Cr 2 O 3 25 %, MgO < 25 % Käyttö vähennyt kromi-magnesia materiaalien käyttöönoton myötä. Kromiitti ei juuri reagoi emäksisten taikka happamien kuonien kanssa Materiaalia voidaan luonnehtia neutraaliksi ja sitä voidaan käyttää kontaktissa sekä happamien että emäksisten materiaalien kanssa ilman että kontaktireaktioita tapahtuu fi eräs tärkeä käyttötapa on yhdistelmävuorauksissa erottamassa erilaisia materiaaleja toisistaan. Uuniatmosfääri vaikuttaa kromiittivuorausten stabiilisuuteen Hapettavassa atmosfäärissä tapahtuva kromiitin kidemuodon muutos (raudan hapettuminen) voi aiheuttaa vuorauksen rikkoutumisen

17 MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit 4. Forsteriitti (2MgO SiO 2 ) Sulamislämpötila 1890 C (rautapitoisuuden kasvu laskee tätä) fi valmistuksessa käytettävä raaka-aineita joissa alhainen FeO-pitoisuus. Se reagoi happaman kuonan kanssa mutta kestää emäksistä kuonaa Alkalit eivät aiheuta merkittävää sulanmuodostusta Forsteriitti-fayaliitti -faasipiirros 33 MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit 5. Doloma Dolomamateriaalin tärkeimmät komponentit ovat CaO ja MgO Kaikki ryhmän mahdolliset tuotteet ovat erittäin tulenkestäviä. Alimmillaan sulafaasia esiintyy vähän alle 2400 C:ssa. MgO liuottaa hieman CaO:a ja CaO MgO:a. Yhdisteitä systeemissä ei tunneta. Systeemissä siis esiintyy aina vapaata kalkkia, joten tiilet hydratoituvat ja karbonoituvat herkästi Hydratoituminen tuhoaa dolomatiilet, joten niiden varastointi on vaativa. Tärkeimmät käyttökohteet ovat teräs- (VKU, senkat), sementti- ja kalkkiteollisuudessa. MgO-CaO -faasipiirros Kuva: H. Jansen, Magnesia-Based refractories, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, , POHTO, Oulu

18 Tulenkestävien materiaalien luokittelu Kemiallinen koostumus Luokittelu oksidisiin ja ei-oksidisiin materiaaleihin SiO 2 -Al 2 O 3 pohjaiset materiaalit - silika - samotti - aloksi MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit - magnesia - magnesiakromi / kromimagnesia - kromiitti - forsteriitti - doloma ZrO 2 -pohjaiset materiaalit - zirkonia - zirkoni Ei-oksidiset materiaalit Grafiitti/hiili Karbidit - piikarbidit - muut karbidit Nitridit ja oksinitridit Boridit Silisidit MgO-Al 2 O 3 -pohjaiset materiaalit - spinelli 35 MgO-Al 2 O 3 -pohjaiset materiaalit Magnesian ja aluminan yhdiste MgO Al 2 O 3 on spinellimineraalia. Spinelli on erittäin tulenkestävää materiaalia (matalin sulamispiste noin 1920 C) ja myös termodynaamisesti erittäin stabiili. Puhtaan spinellin painepehmeneminen on erittäin vähäistä. Kyseessä on suhteellisen uusi tuote ja alalla on tapahtunut voimakasta kehitystä. Spinelli on kallista, mikä vaikuttaa sen käyttöön. Spinelliä valmistettaessa käytetään lähtöaineina puhdasta kalsinoitua alumiinioksidia ja luonnon tai synteettistä magnesiaa. Spinellin muodostuessa materiaali turpoaa lievästi. Materiaalia käytetään etenkin teräksen valmistuksessa (terässenkat). MgO-Al 2 O 3 -faasipiirros 36 Kuva: H. Jansen, Magnesia-Based refractories, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, , POHTO, Oulu

19 Tulenkestävien materiaalien luokittelu Kemiallinen koostumus Luokittelu oksidisiin ja ei-oksidisiin materiaaleihin SiO 2 -Al 2 O 3 pohjaiset materiaalit - silika - samotti - aloksi MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit - magnesia - magnesiakromi / kromimagnesia - kromiitti - forsteriitti - doloma ZrO 2 -pohjaiset materiaalit - zirkonia - zirkoni Ei-oksidiset materiaalit Grafiitti/hiili Karbidit - piikarbidit - muut karbidit Nitridit ja oksinitridit Boridit Silisidit MgO-Al 2 O 3 -pohjaiset materiaalit - spinelli 37 ZrO 2 -pohjaiset materiaalit Zirkonia (ZrO 2 ) eli zirkoniumoksidi Zirkoni (ZrSiO 4 ) eli zirkoniumsilikaatti Molemmilla on hyvä tulenkestävyys ZrO 2 sulaa vasta 2690 C:ssa Zirkoniumoksidilla on useita kidemuotoja joiden ominaistilavuudet ovat hyvin erilaiset fi seostetaan aina muiden aineiden kanssa (stabiloidaan; CaO, MgO,Y 2 O 3 ). ZrO 2 on termodynaamisesti yksi stabiileimpia oksideja fi kemiallisesti erittäin kestävä T > 1676ºC ZrSiO 4 fi ZrO 2 + SiO 2 Kallis materiaali, käytetään lähinnä vain erikoissovelluksissa, kuten jatkuvavalun yhteydessä suuttimina ja sulkimina

20 Tulenkestävien materiaalien kemiallinen koostumus Teollisuuden käyttämistä tulenkestävistä materiaaleista on: - n. 50 % Al 2 O 3 -SiO 2 -pohjaisia - n. 25 % MgO-, CaO-, Cr 2 O 3 -, ZrO 2 pohjaisia - Spinelli on suhteellisen uusi tulokas tulenkestäville markkinoille ja niiden käyttö kasvaa koko ajan. 39 Tulenkestävien materiaalien luokittelu Kemiallinen koostumus Luokittelu oksidisiin ja ei-oksidisiin materiaaleihin SiO 2 -Al 2 O 3 pohjaiset materiaalit - silika - samotti - aloksi MgO-, Cr 2 O 3 -, CaO -pohjaiset materiaalit - magnesia - magnesiakromi / kromimagnesia - kromiitti - forsteriitti - doloma ZrO 2 -pohjaiset materiaalit - zirkonia - zirkoni Ei-oksidiset materiaalit Grafiitti/hiili Karbidit - piikarbidit - muut karbidit Nitridit ja oksinitridit Boridit Silisidit MgO-Al 2 O 3 -pohjaiset materiaalit - spinelli 40 20

21 Tulenkestävien materiaalien kemiallinen koostumus Ei-oksidiset materiaalit Ei-oksidisten materiaalien ryhmään kuuluu sekä perinteisiä luonnon raaka-aineisiin perustuvia materiaaleja että synteettisiä aineita. Yhteisenä piirteenä näille kaikille ovat korkeat sulamis- tai sublimoitumislämpötilat. Käytetään usein yhdistelminä oksidisten kanssa eikä niinkään sellaisinaan. Poikkeuksia tästä säännöstä ovat hiili- ja piikarbiditiilet, jotka ovat tärkeimmät ei-oksidiset tulenkestävät tuotteet. 41 Ei-oksidiset materiaalit Grafiitti Etuja: - Grafiitin suuri lämmönjohtavuus on yksi syy siihen, että sitä käytetään tulenkestävissä materiaaleissa. - Kestää hyvin lämpötilanvaihteluja ja sillä on hyvä kuonankestävyys. Heikkouksia: - Liukenee useimpiin metalleihin, herkkä hapettumiselle Hiiltä voidaan käyttää sellaisenaan tai yhdistelmänä oksidien kanssa (kts. yhdistelmätuotteet). Hiilitiilten tärkein sovellusalue on masuunien pesäalue Samoin grafiittia käytetään uppokaariuunissa Korkeissa lämpötiloissa hiili muodostaa muiden alkuaineiden kanssa yhdisteitä, joita kutsutaan karbideiksi. Tulenkestävissä käytetään ensisijaisesti piikarbidia (SiC) 42 21

22 Ei-oksidiset materiaalit Piikarbidi Ei sula, sublimoituu 2700ºC:ssa Etuja: - Hyvä lämmönjohtokyky ja kulutuksenkesto sekä happamien kuonien kesto. Heikkouksia: - Liukenee helposti metallisuliin - On herkkä hapettumiselle ja vesihöyrylle. Piikarbidin tärkein käyttökohde on masuunien vuoraukset. Hiilipitoisia erittäin hyvin lämpöä johtavia materiaaleja käyttämällä pyritään pidentämään vuorauksen ikää (pinnan lämpötila alenee). - Vaatii tehokasta jäähdytystä. - Ei muodostu lämpötilagradienttia. 43 Ei-oksidiset materiaalit Nitridit ja oksinitridit Nitridien sulamis- tai sublimoitumislämpötilat ovat hyvin korkeita, niillä on hyvät lujuusominaisuudet korkeissa lämpötiloissa ja lämpöshokin kesto on yleensä hyvä Nitridejä käytetään varsinkin yhdistelminä muiden aineiden kanssa - esim. BN (valuputken kuonarajalla) 44 22

23 Ei-oksidiset materiaalit Boridit ja Silisidit Esimerkkejä borideista ovat titaaniboridi (TiB 2 ) ja zirkoniumboridi (ZrB 2 ). Näiden sulamisalueet ovat yli 3000 C. Boridit kestävät hyvin metallisulia. ZrB 2 :a on käytetty esim. suojaputkena lämpötilamittauksissa. Silisideillä on korkeat sulamislämpötilat. Molybdeenisilisidiä (MoSi 2 ) on käytetty termoelementtien suojana sekä korkealämpötilauunien vastuselementteinä. Silisidit sintrautuvat helposti ja niistä voidaan valmistaa lähes huokosettomia kappaleita. 45 Tulenkestävien materiaalien kemiallinen koostumus Yhdistelmätuotteet Valmistusmenetelmien kehittyminen ja tulenkestäville asetettujen vaatimusten tiukentuminen on johtanut siihen, että tulenkestävissä vuorauksissa on entistä enemmän ryhdytty käyttämään edellä esitellyistä perusmateriaaleista koottuja yhdistelmätuotteita. Yhdistelmätuotteilla on usein uusia ominaisuuksia, jotka parantavat niiden kestoa prosessissa (kemiallinen, terminen, mekaaninen rasitus). Grafiittia käytetään mm. oksidisten materiaalien kuten Al 2 O 3 :n, MgO:n ja ZrO 2 :n kanssa (pitoisuus yleensä 10-30%) - Hiilen ja oksidin yhdistelmässä grafiitti suojaa oksidista materiaalia kuonaa vastaan ja oksidi taas suojaa grafiittia sulaa metallia vastaan (kemiallinen rasitus). - Huomattavaa on, että grafiitilla on hyvä lämmönjohtavuus. * Lämpöshokin kestävyys paranee. * Grafiittilisäys voi nostaa oksidisen tulenkestävän tuotteen lämmönjohtavuuden jopa moninkertaiseksi (huomioitava taustavuorauksessa/jäähdytyksessä). Ei-oksidisia materiaaleja voidaan myös yhdistää keskenään. - esim. SiC-C tiilet 46 23

24 Tulenkestävien materiaalien kemiallinen koostumus Yhdistelmätuotteet esim. MgO-C Hiilipitoisuus 3-25 % - mahdollisesti antioksidanttien lisäys (esim. Al, Si, Mg) hiilen hapettumisen ehkäisemiseksi. Hiili parantaa kemiallista kestävyyttä oksidisia kuonia vastaan - kuonan kostutus huononee Hiili liukenee useimpiin metalleihin kuten teräkseen. Hiilen lisäys parantaa mm. lämmönjohtavuutta fi lämpöshokin kestävyys paranee Kuva: H. Jansen, Magnesia-Based refractories, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, , POHTO, Oulu. 47 Tulenkestävien materiaalien kemiallinen koostumus Yhdistelmätuotteet Erilaisia yhdistelmiä on lukuisia ja tulevaisuudessa niitä todennäköisesti kehitetään vielä lisää. Lähde: Jaakko Kärjä, Katsaus tulenkestävien kehitykseen ja täydennyskoulutukseen Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari , Pohto, Oulu

25 Tulenkestävien materiaalien kehitys Erityyppisten materiaalien yhdistelmät tulevat yleistymään ja tavoitteena on hyödyntää materiaalissa käytön aikana tapahtuvia reaktioita keston parantamiseksi. Tällaisista materiaaleista on käytetty myös nimitystä itsekorjaavat materiaalit. - esim. tiileen lisätty aine reagoi prosessiolosuhteissa muodostaen tiilen pinnalle tiiviin hyvin kulutusta kestävän kerroksen. Lähde: Jaakko Kärjä, Katsaus tulenkestävien kehitykseen ja täydennyskoulutukseen Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari , Pohto, Oulu 49 25