Silika

Silika ist die Bezeichnung für einen feuerfesten keramischen Baustoff bestehend aus SiO₂. Der Einsatz beschränkt sich heutzutage großteils auf die Gewölbeausmauerung von Glaswannen und die Gitterung von Winderhitzern beim Hochofen. Das Material ist von besonderem Interesse für Werkstofftechniker, Glas- und Stahlhersteller.

Lage im Zweistoffsystem SiO₂-Al₂O₃

Phasendiagramm für das Zweistoffsystem SiO₂-Al₂O₃

Die Schmelztemperatur von reinem SiO₂ sinkt zu Beginn mit steigendem Aluminiumoxidgehalt (bis etwa 8 Ma-%) um über 100 K. Für eine hohe Hitzebeständigkeit muss deshalb ein Aluminiumoxidanteil auch in geringen Mengen vermeiden werden. Der Anteil sollte deutlich unter 1 % liegen.

Mineralphasen

• Cristobalit 35–45 %
• Tridymit 40–50 %
• Quarz 0,5–3 %
• Kieselglas 4–8 % (röntgenamorph, eventuelle Verunreinigungen sind hierin gelöst)
• Wollastonit ca. 5 % (wegen Kalkzugabe, Sinterhilfsmittel!)

Rohstoffe

Forderung: möglichst reines SiO₂. Auf keinen Fall Aluminiumoxid, auch nicht in kleinen Mengen, da bereits bei wenigen Prozent Al₂O₃ ein Eutektikum liegt.

• Felsquarzit: schlechter, da langsame Umwandlung von Quarz zu Cristobalit oder Tridymit aufgrund geringer spezifischer Oberfläche. Relativ günstig im Einkauf.
• Findlings/Zementquarzit: besser, da schnelle Umwandlung von Quarz zu Cristobalit oder Tridymit aufgrund hoher spezifischer Oberfläche.

Die Rohstoffe sollten möglichst grau sein, keine schwarzen oder roten Einschlüsse haben (Hinweis auf Eisen und Organik). Es sollte keine Schieferung erkennbar sein, da dies ein Hinweis auf Glimmer ist, welcher Aluminiumoxid enthält.

Notwendige Laborprüfungen:

• Glühverlust, wegen organischer Bestandteile, später Poren
• chemische Analyse: Al₂O₃, FeO, Fe₂O₃, Alkalien
• Umwandlungsverhalten

Formgebung

Klassisch keramische Formgebung: Trockenpressen, Schlickerguss, .... Jedoch muss auf die Zugabe von Ton verzichtet werden, da durch ihn Verunreinigungen(Al₂O₃, Alkalien, Erdalkalien, Fe₂O₃ und andere) hinzugegeben würden. Bei Silikasteinen ist die chemische Reinheit elementar, da sie nur in absolut reiner Form ausreichend thermisch beständig sind (eutektische Reaktionen, Bildung von Schmelzphase). Um das Fehlen von Ton und damit die fehlende Trockenfestigkeit zu kompensieren, werden die Steine anders verfestigt. Es hat sich herausgestellt, dass Sulfitablauge (Abfallprodukt der Papierindustrie: Ca(SO₃)₂ mit organischen Bestandteilen) als Bindemittel für Silikasteine geeignet ist.

Sintern von Silika

Das Sintern von Silika ist in vielerlei Hinsicht sehr problematisch.

• Die Sulfitablauge wird thermisch zersetzt. Es tritt SO₂ aus, welches aus dem Rauchgas gefiltert werden muss. Es fällt Gips an, der in der Baubranche genutzt wird.
• Aus der Umwandlung von Quarz in Tridymit resultiert eine Volumendehnung von 14,5 %, aus der von Quarz in Cristobalit eine von 17 %. Deshalb neigen die geformten Steine leicht zu Rissen. Folge: Es muss sehr langsam aufgeheizt werden. Und es muss ebenso langsam abgekühlt werden. Bei Temperaturen oberhalb 700 °C spielt die Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit keine Rolle, da dort alle Modifikationwechsel des Systems SiO₂ abgelaufen sind.
• Der Kalk im Versatz dient als Sinterhilfsmittel. Bei 600 °C entgast Kalk CaCO₃ zu CaO und verbindet sich direkt mit dem SiO₂ aus dem Restversatz zu Wollastonit CaSiO₃ und stellt somit die Bindephase zwischen den Silikakörnern her.
• Brennen zwischen 1350 und 1500 °C je nach Verhältnis Felsquarzit/Findlingsquarzit

Sinterkurve:

Generell ist beim Sintern abzuwägen zwischen folgenden Varianten:

• langsames Aufheizen: vermeiden von Rissen wegen Modifikationswechseln, hohe Kosten
• schnelles Sintern: Energie sparen, Rissgefahr
• lange Haltezeit/kurze Haltezeit: Grad der Umwandlung von Quarz zu Cristobalit/Tridymit

Eigenschaften von Silikasteinen

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• gute Beständigkeit gegen saure Schlacken
• schlechte Beständigkeit gegen basische Schlacken
• Anwendungstemperatur: 1550–1600 °C
• sehr Empfindlich gegen Reduktion: $ \mathrm {SiO_{2}(s)+CO(g)\longrightarrow SiO(g)+CO_{2}(g)} $ (erst oberhalb 1500 °C)
• sehr kleines Erweichungsintervall (je nach Verunreinigungen kann das Intervall nach unten verzerrt werden)
• sehr hoher Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) unterhalb 700 °C aufgrund vieler Modifikationswechsel mit starker Volumenausdehnung
• sehr niedriger WAK oberhalb 700 °C
• unterhalb 700 °C sehr schlechte Temperaturwechselbeständigkeit (TWB), wegen Modifikationswechseln

Typische Einsatzgebiete

• Gewölbe von Glaswannen (Obwohl Basischer Angriff (Alkalien), Infiltration, Sättigung, Erstarren in hinteren Steinschichten, weitere Infiltration gestoppt)
• Koksofenbau
• Winderhitzer (Hochofen, Erhitzung der Einblasluft)
• Füllstoff für Reifen, um den Rollwiderstand zu verringern

Quellen

• Gerald Routschka (Hrsg.): Artikel Fred Brunk, Taschenbuch Feuerfeste Werkstoffe, VULKAN-VERLAG, ISBN 3-8027-3150-6