Schamotte

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Die Schamotte (auch Schamott) ist ein feuerfestes Halbfabrikat mit 10 bis 45% Aluminiumoxid-Anteil.

Dabei unterscheidet man zwischen:

  • saure Schamotte: Al2O3-Gehalt zwischen 10 und 30 %
  • Normalschamotte: Al2O3-Gehalt zwischen 30 und 45 %

Als Schamotte werden von Laien häufig alle feuerfesten Steine und Ausmauerungen bezeichnet. Dies ist jedoch sehr unexakt, da es viele sich verschiedene sich wiedersprechnede Anforderungen an feuerfeste Steine gibt (siehe feuerfeste Baustoffe). Für unterschiedliche Einsatzzwecke gibt es daher auch unterschiedliches feuerfestes Mauerwerk.

Lage im Zweistoffsystem SiO2-Al2O3

Zweistoffsystem

In diesem Ausschnitt aus dem Zweistoffsystem ist zu erkennen, dass der Schmelzpunkt der Verbindungen stetig steigt. Mit dem Ansteigen des Schmelzpunktes bei steigendem Al2O3-Gehalt nehmen auch andere Eigenschaften der fertigen Steine zu:

  • die Festigkeit nimmt zu
  • das Porenvolumen sinkt
  • die Temperaturwechselbeständigkeit steigt

Hierbei ist zu bemerken, dass bei 30 MA-% Al2O3 ein Maximum an Schmelzphase liegt und somit auch andere Eigenschaften wie erwartet vorliegen. Es tritt also ein Abfall der guten Eigenschaften ein. Ab den 30 Ma-% steigen die guten Eigenschaften wieder an.

Mineralphasen

  • Mullit 25-50%
  • Glas 25-50%
  • Quarz bzw. Cristobalit bis 30%

Ziel ist es, den Anteil an Mullit zu Maximieren. Aufgrund fehlender Al2O3-Gehalte ist es schwer, dies zu erreichen. Daraus resultieren bei minderwertigen Qualitäten sehr hohe Anteile an SiO2 (saure Schamotte). Ein qualitativ hochwertiger Schamottestein (höhere Anwendungstemperatur), zeichnet sich durch einen möglichst hohen Al2O3-Anteil aus, um möglichst viel Mullit 3 Al2O3*2 SiO2 zu bilden.

Rohstoffe

Rohsstoff für das Endprodukt sind Schamotte und Ton, wobei der Rohton sowohl zur Bindung der Schamottekörnung wie auch zur Ergänzung des Gefüges eingesetzt wird.

Herstellung von Schamottekörnung:

  • Rohton wird plastisch aufbereitet
  • grob zerkleinert
  • getrocknet
  • gebrannt (bis maximale Mullitbildung erreicht)
  • zerkleinert(gebrochen und/oder gemahlen)
  • fraktioniert in Grob-, Mittel- und Feinkorn.

Zu verwendender Ton

  • Hierbei ist darauf zu achten, dass der eingesetzte Ton möglichst rein ist, also keine Verunreinigungen enthält (bei schlechteren Qualitäten kann ein relativ großer Quarzanteil im Rohstoff enthalten sein (saure Schamotte)).
  • Ebenso ist es von Vorteil, einen möglichst hohen Kaolinitanteil im Ton zu haben, da dieser keine Alkalien mitbringt.

Schamotte ist im Prinzip nicht anderes als gebrannter Ton / Kaolin! Warum vorbrennen? Ein Schamottestein aus reinem Ton hätte eine enorme Trocken, Brennschwindung. Durch das Vorbrennen wird ein Großteil der Schwindung vorweggenommen, so dass der Stein weniger Rissanfällig wird.

Man spricht von Schamotte solange nur Ton im Versatz verwendet wurde.

Zusätze von Periklas (MgO) bewirken eine Cordierit-Bildung, welche die TWB auf Grund des kleineren WAK stärkt, aber die Temperaturbesändigkeit leicht senkt.

Formgebung

Die Aufbereitung erfolgt klassisch keramisch. Durch herstellung von Gießschlicker, plastischer Masse, oder Pressgranulat. Dabei ist das eingesetzte Verhältnis von Schamotte zu Ton jeweils unterschiedlich, da mit steigendem Wassergehalt mehr Plastizität bzw. Dispergierbarkeit notwendig ist, um die erwünschte Komplexität der Form erreichen zu können. Schamotte besitzt diese Eigenschaften auf Grund des Vorbrandes nicht mehr. Die Formgebung selbst findet statt mittels Schlickerguß, extrudieren mittel Strangpresse, Trockenpressen. Dabei ist zu bemerken, dass die Eigenschaften der Steine mit fallendem Wassergehalt in der Formgebung besser werden.

Mit fallendem Wassergehalt in der Aufbereitung:

  • Rohdichte nimmt zu
  • Porosität nimmt ab (Optimum bei ca. 20%)
  • KDF (Kaltdruckfestigkeit) nimmt zu
  • T05(DE/Druckerweichen) nimmt zu (höhere Anwendungstemperatur)
  • TWB (Temperaturwechselbeständigkeit) nimmt zu
  • Maßhaltigkeit nimmt zu
  • Brenn- und Trockenschwindung nehmen ab

Daher ist ein trockengepresster Stein in hinsicht auf die feuerfesten Eigenschaften den plastisch geformten oder schlickergegossenen Steinen überlegen. Man weicht auf andere Herstellungsverfahren aus, wenn die zu erzeugende Form nicht mehr durch Trockenpressen zu erreichen ist.

Sintern von Schamotte

Angestrebt wird eine maximale Mullitbildung. Unter der Annahme, dass das gesamte Aluminiumoxid im Rohstoff an der Mullitbildung teilnimmt. Dies geschieht bei Temperaturen zwischen 1000°C und 1400°C. Zuerst bildet sich Schuppenmullit, auf diesem sich bei höheren Temperaturen Nadelmullit bildet. Durch die nadelige Form des Nadelmullit verstricken sich die einzelnen Mullitkristalle in einander und erwirken die starke Verfestigung im Stein.

Es ist abzuwägen zwischen:

  • langer Brennzeit, maximale Mullitbildung, erreichen einer maximalen Hitzebeständigkeit
  • kurzer Brennzeit, Einsparung von Energiekosten
  • bei hohen Quarzgehalten vorsichtiges Aufheizen wegen Modifikationswechseln

Eigenschaften

  • spezifische Wärmekapazität 1,00 kJ/(kg K).
  • sehr preiswert gegenüber anderen feuerfesten Steinen, daher Einsatz immer wenn chemisch bzw. thermisch möglich

Anwendungstemperaturen:

  • reduzierende Atmosphäre: schlechte CO-Beständigkeit unter 800°C, da Boudouard-Gleichgewicht unterhalb 800°C zur Bildung elementaren Kohlenstoffes neigt! Dieser Kohlenstoff setzt sich in den Poren der Steine ab, und führt zur Zermürbung des Gefüges. Die Aktivierungsenergie für diese Reaktion ist normalerweise unter 800°C nicht ausreichend. Freies Eisenoxid oder Eisen wirkt katalytisch, daher Eisengehalt niedrig halten.
  • keine besonderen feuerfesten oder chemischen Eigenschaften, welche erwähnt werden müssten, Einsatz bei niedrigen belastungen

Anwendung

Alltagsanwendungen

Technische Anwendungen

  • Hintermauerungen von hochwertigern Steinen

Einteilung der Schamottesteine

aus dem Jahr 1962 (veraltet aber noch gebräuchlich)

Bezeichnung Al2O3 Segerkegelnummer max. Anwendungstemperatur
A0 >42% 34 1400°C
AIS 40-42% 33-34 1350-1400°C
AI 37-40% 33 1300-1350°C
AII 33-37% 32 1250-1300°C
AIII 30-33% 30 1200-1250°C
Bezeichnung SiO2 Segerkegelnummer max. Anwendungstemperatur
BI ca. 78% 32-33
BII ca. 72% 30-31
BIII ca. 67% 28-29

Hier wird die chemische Zusammensetzungs als Klassifizierungsmerkmal verwendet, ungeachtet der Eigenschaftmerkmale, welche unabhängig von der chemischen Zusammensetzung sein können.

Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 917

Sorte Al2O3-Gehalt Fe2O3-Gehalt Rohdichte Offene Porosität KDF DFB ta
[%] [%] [g cm-3] Satndardabw. [%] Standardabw. N mm-2 Standardabw. xmin [°C] Standardabw.
A40t >40 <2,5 >2,15 0,05 <20 2 >30 15 20 >1450 40
A40h >40 <2,5 >2,10 0,05 <21 2 >25 15 15 >1420 40
A40p >40 <2,5 >1,90 0,06 <26 2 >15 10 10 >1380 40
A35t 35-40 <2,5 >2,10 0,05 <19 2 >30 15 20 >1400 40
A35h 35-40 <2,5 >2,05 0,05 <20 2 >25 15 15 >1380 40
A35p 35-40 <2,5 >1,90 0,06 <25 2 >15 10 10 >1350 40
A30t 30-35 <3 >2,05 0,05 <19 2 >30 15 20 >1370 40
A30h 30-35 <3 >2,05 0,05 <20 2 >25 15 15 >1350 40
A30p 30-35 <3 >1,90 0,06 <24 2 >15 10 10 >1320 40
A25t <30 <3 >2,05 0,05 <18 2 >35 15 25 >1340 40
A25h <30 <3 >2,05 0,05 <19 2 >30 15 20 >1320 40
A25p <30 <3 >1,90 0,06 <22 2 >20 10 15 >1300 40

Hier ist der Al2O3-Gehalt nur noch als Richtwert zu betrachten, vorrangig ist die Einhaltung der minimalen/maximalen Eigenschaftswerte, um einen Stein möhlichst gut (und damit Gewinnmaximierend) zu klassifizieren.

Literatur

  • Paul Werner: Die Feuerfeste Industrie. (= Hartlebens Chemisch-technische Bibliothek, Band 334). 1. (letzte) Auflage. A. Hartleben’s Verlag, Wien 1911
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