Schamotte

Schamotte in einer Nachtspeicherheizung

Als Schamotte (f.) [regional und in Österreich ausschließlich Schamott (m.)] werden im allgemeinen Sprachgebrauch feuerfeste Steine und Ausmauerungen bezeichnet.

Fachsprachlich wird mit Schamotte nur ein gesteinsähnliches, künstlich hergestelltes, feuerfestes Material mit 10 bis 45 Prozent Aluminiumoxid-Anteil (Al₂O₃) bezeichnet, nicht aber andere feuerfeste Baustoffe. Das Wort Scharmotte ist angeblich im 18. Jahrhundert durch italienische Porzellanarbeiter in Thüringen gebildet worden (sciarmotti, scarmotti) mit Anlehnung an „Schärm“ oder „Scharm“, die thüringische Aussprache für „Scherben“.

Es werden unterschieden:

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

Eigenschaften

Schamotte ist sehr preiswert gegenüber anderen feuerfesten Steinen, daher erfolgt der Einsatz immer dann, wenn es von den chemischen und thermischen Bedingungen möglich ist. Eher niedrige Belastungen sind typisch. Der Werkstoff besitzt keine speziellen feuerfesten oder chemischen Eigenschaften.

Kritisch und daher technisch wichtig sind besonders stark CO-haltige reduzierende Atmosphären bei Temperaturen unterhalb von 800 °C, da das Boudouard-Gleichgewicht dann zur Bildung von elementarem Kohlenstoff neigt (2 CO ⇌ CO₂ + C). Dieser Kohlenstoff setzt sich in den Poren der Steine ab und führt zur Zermürbung des Gefüges. Allerdings ist die Aktivierungsenergie für diese Reaktion normalerweise unter 800 °C nicht ausreichend. Freies Eisenoxid oder Eisen wirkt jedoch katalytisch, daher ist der Eisengehalt niedrig zu halten. Dadurch ist Schamotte als Ausmauerung zur Verhüttung von Eisen nicht gut geeignet.

Die spezifische Wärmekapazität liegt mit 1,00 kJ/(kg K) für Mauerwerk recht hoch, ungefähr gleichauf mit Beton oder Gips.

Lage im Zweistoffsystem SiO₂-Al₂O₃

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 ändern sich auch andere Eigenschaften der fertigen Steine:

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

Mineralphasen

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

Ziel ist es, den Anteil an Mullit zu maximieren. Bei geringen Al₂O₃-Gehalten ist dies schwer zu erreichen. Daraus resultieren bei minderwertigen Qualitäten 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.

Geschichte

Ferdinand Didier, Gründer der Didier-Werke, war einer der ersten Unternehmer in Deutschland, der Schamotte herstellte. Er besaß eine Ziegelei und Kalkbrennerei in Podejuch, dem späteren Stettiner Stadtteil Podjuchy. Er entdeckte 1849 bei Podejuch natürliche Vorkommen von Quarzkies und Quarzsand, die er zur Herstellung feuerfester Materialien, sogenannter Schamotte oder Chamotte, verwendete. Die Schamotte wurden insbesondere für den aufstrebenden Gaswerksbau genutzt.

Herstellung

Rohstoffe

Der eigentliche Rohstoff für den Schamottestein als Endprodukt ist Ton. Man spricht von Schamotte, solange ausschließlich Ton im Versatz verwendet wurde. Allerdings kann der Brand des Steins nicht direkt aus reinem Ton erfolgen, da dabei eine enorme Brennschwindung eintritt, die den fertigen Stein wenig maßhaltig und vor allem sehr rissanfällig machen würde.

In der Praxis wird daher zunächst Schamottekörnung hergestellt. Dazu wird Rohton plastisch aufbereitet, grob zerkleinert und getrocknet. Danach wird er bis zur maximalen Mullitbildung gebrannt, danach gebrochen und/oder gemahlen und das Zwischenprodukt in Grob-, Mittel- und Feinkorn fraktioniert. Diese Schamottekörnung ist nun zusammen mit weiterem Rohton der Rohstoff für das Endprodukt, wobei der hinzugefügte Rohton sowohl zur Bindung der Schamottekörnung als auch zur Ergänzung des Gefüges eingesetzt wird.

Der eingesetzte Ton für beide Arbeitsschritte muss möglichst rein sein. Bei schlechteren Qualitäten kann ein relativ großer Quarzanteil im Rohstoff enthalten sein, dadurch kann man dann nur die qualitativ minderwertige saure Schamotte herstellen. Ebenso ist es von Vorteil, einen möglichst hohen Kaolinitanteil im Ton zu haben, da dieser keine Alkalien mitbringt.

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

Formgebung

Die Aufbereitung erfolgt klassisch keramisch durch Herstellung von Gießschlicker, plastischer Masse oder Pressgranulat. Dabei ist das eingesetzte Verhältnis von Schamottekörnung zu Ton jeweils unterschiedlich. Die vorgebrannte Schamottekörnung ist nicht mehr plastisch, bei komplexen Formen braucht man daher einen höheren Tonanteil.

Die Formgebung selbst findet statt mittels Schlickerguss, Extrusion mittels Strangpresse, Trockenpressen. Je trockener die Masse bei der Formgebung ist, desto besser werden die feuerfesten Eigenschaften des fertigen Steins.

Mit fallendem Wassergehalt in der Aufbereitung ändern sich folgende Eigenschaften:

• 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

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

Sintern von Schamotten

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

Es ist abzuwägen zwischen:

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

Anwendung

Ein bei einer Feuerbestattung verwendeter Schamottestein

Alltagsanwendungen

• Kachelöfen
• Kamine
• Pizzasteine
• Wärmespeichermasse in Elektrogebäudeheizungen
• zur eindeutigen Kennzeichnung der Asche eines Verstorbenen bei einer Feuerbestattung werden Schamottesteine mit eingravierter Nummer verwendet.

Technische Anwendungen

• Hintermauerungen von hochwertigeren Steinen
• Innenbeschichtung von Behältern, in denen Metall geschmolzen oder flüssiges Metall transportiert wird

Einteilung der Schamottesteine

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

Einteilung aus dem Jahr 1962 (veraltet, aber noch gebräuchlich)

Hier wird die chemische Zusammensetzung 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 a
	[%]	[%]	[g cm−3]	Standardabw.	[%]	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

Der Al₂O₃-Gehalt ist nur als Richtwert zu betrachten, vorrangig für die Klassifizierung ist die Einhaltung der minimalen/maximalen Eigenschaftswerte.

Literatur

• Paul Werner: Die Feuerfeste Industrie. Hartleben, Wien 1911 (Chemisch-technische Bibliothek. Band 334)
• Gerald Routschka, Hartmut Wuthnow (Hrsg.): Feuerfeste Werkstoffe. 4. Auflage. Vulkan, Essen 2007, ISBN 3-8027-3157-3
• Keramische feuerfeste Werkstoffe. Stahleisen, Düsseldorf 1984 (Stahl-Eisen-Werkstoffblätter des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute. 917)