Die Herstellung von Feuerleichtsteinen über die Gefrier-Direktschäumungsmethode

Die Gefrier-Direktschäumung bietet die Möglichkeit, auf umweltfreundliche Art und Weise, ohne Verwendung von Polymergerüsten oder anderen organischen Porenbildnern, poröse Strukturen zu erzeugen. Dazu wird eine keramische oder wahlweise metallische Suspension durch simple Druckreduktion in einem Gefriertrockner aufgeschäumt. Porenbildner der Gefrierschäumung ist die entweichende Luft, Wasserdampf und sublimiertes gefrorenes Wasser. Erreicht die schäumende Suspension nun den Tripelpunkt der fest-flüssig-gasförmig Gleichgewichtslinien (siehe p, T-Diagramm Wasser), so friert sie schlagartig ein. Die Trocknung des Schaumes erfolgt nun durch Sublimation des gefrorenen Wassers. Auf diese Weise gelingt es, je nach Ausgangsmaterial, selbst biokompatible und -aktive poröse Strukturen ode r wie in dieser vorliegenden Arbeit, Feuerfesterzeugnisse bzw. Feuerleichtsteine herzustellen. Oft verwendet als Auskleidung industrieller Ofenanlagen für eine ökonomische Prozessführung, wurden spezifische Charakteristika wie Wärmeleitfähigkeit, strukturelle Druckfestigkeit, Kriechverhalten sowie porenmorphologische Untersuchungsmethoden herangezogen, um die Gefrierschäumung als vielversprechende Methode zur Herstellung dieser Feuerfesterzeugnisse zu beurteilen.

Refractories are a key component for cost effective and energetic sustainable processes. Depending on the operation temperature of industrial furnace thermal characteristics of porous refractory linings have to be adjusted. There are a lot of possible porosity adjusting methods, e.g. placeholder, replica and gas injection/development approaches. Now, the freeze-foaming as direct foaming technique shall be introduced as an environmentally friendly way to refractories. In this presented work an aqueous ceramic mullite suspension is foamed within minutes just by the reduction of the ambient pressure in a freeze drying device. The foam structure suddenly freezes when the suspension temperature, related to the vacuum pressure, reaches the liquid-solid equilibrium line (p, T-diagram of water). The porous structure is then dried by sublimating the frozen water. The resulting bricklike lightweight refractories exhibit a high amount of open porosity and dense struts. Just 5 mass-% to 10 mass-% organic additives, required for a stable foaming, minimize the effect of crack formation during the sintering step and provide an environmentally friendly processing route to the final product. The pore morphology is being determined by X-ray computed tomographic images and mercury porosimetry. Measurements of the thermal conductivity, compressive strength and creep have been carried out to evaluate the freeze-foaming process as a promising approach for manufacturing refractories.