CH649520A5 - Basisches feuerfest-zementmaterial. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein basisches zementartiges Feuerfest-Material.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen derartiger zementartiger Komponenten, welche durch geschmolzene Metalle, wie schmelzflüssigen Stahl, chemisch angegriffen, verschlissen sowie erudiert werden.
Feuerfest-Komponenten von Ventilen sowie feuerfeste Ausflussdüsen für verschiedene Zwecke im Bereich der Metallurgie sind herkömmlicherweise durch Verpressen und Brennen bei hohen Temperaturen hergestellt worden. Kostspielige, hochreine Materialien, wie Zirkonerde sowie 85 bis 95% A1203 enthaltende Feuerfest-Werkstoffe sind wegen der extrem schweren Einsatzbedingungen, welchen diese Komponenten unterworfen werden, als unverzichtbar angesehen worden. Der Energiebedarf zum Herstellen der Komponenten durch Pressen und Brennen ist beträchtlich, da die Brenntemperaturen üblicherweise oberhalb von 1500°C liegen und diese hohen Temperaturen während des gesamten Brennvorganges aufrechterhalten werden müssen. Der Energiebedarf schlägt deutlich auf die Kosten der aus diesen gebrannten Feuerfest-Werkstoffen hergestellten Komponenten durch.
Trotz der Verwendung von stark gebrannten Feuerfest-Materialien in der Metallurgie erfordern Erzeugnisse, wie Ventilplatten, üblicherweise ein häufiges Erneuern unter grossen Kosten.
In jüngerer Zeit sind chemisch gebundene Betonwerkstoffe vorgeschlagen worden, beispielsweise für Ventilschieber. Wie auch gebrannte Feuerfest-Platten, sind chemisch gebundene Betonplatten nicht imstande, wiederholten thermischen Schocks zu widerstehen. Folglich wird angenommen, dass ihre Verwendung in Absperreinrichtungen (Ventilen) für das Abgiessen von Blöcken durch störende Arbeitsunterbrechungen zum Zwecke ihrer Auswechselung beeinträchtigt wird.
Es ist nun gefunden worden, dass gewisse hydraulisch gebundene basische zementartige Werkstoffe überraschenderweise über die Fähigkeit verfügen, gegenüber thermischen Schockbeanspruchungen äusserst gut beständig zu sein, weshalb die Herstellung von Komponenten aus diesen Werkstoffen von besonderem Interesse ist.
Erfindungsgemäss wird eine Zusammensetzung für hydraulische Feuerfest-Zemente vorgeschlagen, mit deren Hilfe gegenüber Metallschmelzen beständige gegossene feuerfeste Teile hergestellt werden können, wobei diese Zusammensetzung eine Mischung aus drei Komponenten umfasst, nämlich aus gebrannter oder gesinterter Magnesia, Tonerde sowie hochtonerdehaltigem Hydraulikzement mit wenigstens 45% A1203, wobei die Magnesia in einer Menge von wenigstens 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, vorliegt und die Tonerdekomponente in einer Menge von wenigstens 1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, vorliegt.
Die Erfindung umfasst auch gegossene Feuerfest-Erzeug-nisse, die aus der Zusammensetzung bestehen, sowie ein Verfahren zum Herstellen derartiger gegossener Feuerfest-Erzeugnisse.
Zusammensetzungen nach der Erfindung enthalten im wesentlichen drei Komponenten, nämlich Magnesia (MgO), Tonerde (A1203) sowie Hydraulikzement auf Aluminiumbasis. Gegebenenfalls können kleinere Anteile weiterer Komponenten zu bestimmten Zwecken zugefügt werden, wie Weichmacher, Benetzungsmittel (Oberflächenmittel) und kohlenstoffhaltige Materialien, wie Teer oder Pech. Die letzteren werden üblicherweise in Ventilplatten und -düsen verwendet, um das Ausbilden von Schlackenansätzen an diesen Bauteilen zu verhindern.
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Die ersten beiden Komponenten bestehen vorzugsweise aus hochreinen Materialien im Interesse bester Ergebnisse. Folglich sollte die Magnesia-Komponente einen MgO-Gehalt von wenigstens 24 Gew.-% aufweisen und sollte die Tonerde-Komponente einen Al203-Gehalt von wenigstens s 98 Gew.-% aufweisen. Die Tonerde-Komponente kann gesintert, gebrannt und vorzugsweise calciniert sein.
Die Zement-Komponente kann grundsätzlich aus jedem hochtonerdehaltigen Zement (Al203-Gehalt grösser als 45 Gew.-% des Zementes) bestehen. Vorzugsweise hat die Ze- io ment-Komponente auf Aluminiumbasis einen Al203-Gehalt von nicht weniger als 75 Gew.-% der Zement-Komponente.
Die Magnesia-Komponente kann in einer Menge von 60 bis 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, vorliegen. Auf der gleichen Prozentsatzbasis 15
Material
Magnesia (gesintert oder gebrannt)
Magnesia (gesintert oder gebrannt)
Magnesia (gesintert oder gebrannt)
Tonerde (gesintert oder calciniert)
Aluminium (calciniert, gebrannt oder gesintert, jedoch vorzugsweise calciniert)
Hydraulischer Zement mit mehr als 7,5% A1203
Die Zusammensetzungen werden mit soviel Wasser versetzt, wie zum Erzielen einer gut verarbeitbaren Mischung erforderlich ist. Eine solche Mischung kann beispielsweise 7% Wasser, bezogen auf das Gewicht der Mischung, enthal- 35 ten. Die Mischung bindet bei Raumtemperatur selbsttätig ab. Die Zufuhr von Wärme ist nicht erforderlich, wenngleich ein mässiges Erwärmen zum Zwecke der Beschleunigung des Abbindens (Aushärtens) der gegossenen Erzeugnisse zulässig sein kann. Ohne Wärmezufuhr kann jedoch das Aushärten 40 bis zu einem die Entnahme aus der Form gestattenden Zustand innerhalb von circa 1 Stunde erreicht werden. Somit kann eine hohe Produktivität erreicht werden.
Die erfindungsgemässen hydraulisch gebundenen Zubereitungen (Zusammensetzungen) weisen bedeutsame Vortei- 45 le gegenüber chemisch gebundenen Systemen auf. Ein stets mit chemisch gebundenen Systemen vergesellschaftetes Problem besteht darin, dass dann, wenn sie im Vorgang des Wärme-Abbindens und Trocknens sind, das Bindemittel dazu neigt, in freiliegende Oberflächen einzutreten. Eine sol- 50 che Bindemittelwanderung und die daraus folgende Un-gleichförmigkeit bzw. Inhomogenität der gegossenen Erzeugnisse tritt bei den Zubereitungen nach der Erfindung nicht auf. Ausserdem tritt eine Verfestigung (rigid set), so dass die Handhabe der gegossenen Erzeugnisse frei ist von der Ge- 55 fahr Schäden durch innere Spannungen herbeizuführen. Es ist bei chemisch gebundenen Gusserzeugnissen keinesfalls unmöglich, diese während der Handhabe nachteilig zu beeinträchtigen.
Die erfindungsgemässen Zubereitungen zeigen überra- 60 sehend ausgezeichnete Beständigkeiten gegenüber thermischen Wechselbeanspruchungen (thermal shock). Sie erscheinen deshalb als besonders geeignet zur Verwendung für Teile von Schiebeventilen bzw. Ventilschiebern und dazugehörige Ausflussdüsen, wie diese zum Unterbrechen des 65 Gussstrahls schmelzflüssiger Metalle verwendet werden.
Eine üblicherweise durchgeführte Prüfung der Beständigkeit gegen Thermoschock ist der sogenannte Torch-Test, der ist die Tonerde-Komponente in einer Menge von wenigstens 1% vorhanden, wie von 1 bis 36%, wobei die Zement-Komponente im Bereich von 4 bis 15% vorhanden ist.
Bevorzugte Gehaltsbereiche sind 70 bis 86% Magnesia, 5 bis 11 % Tonerde und 9 bis 12% Zement.
Die Zusammensetzung sollte aus fraktionierten Pulvermischungen hergestellt werden. So sollte die Zement-Komponente vorzugsweise eine Teilchengrösse von maximal 75 um aufweisen. Dabei sind einige grössere Zementteilchen tolerierbar, aber vorzugsweise sollten wenigstens 90% des Zementes eine Teilchengrösse von 75 |tm oder weniger besitzen. Die Zusammensetzungen werden vorzugsweise aus den in der folgenden Tafel zusammengestellten Daten ausgewählt werden.
von der Forschungsabteilung der United States Steel Corporation entwickelt wurde. Bei dieser Prüfung wird eine Sauer-stoff-Propan-Brennerflamme langsam quer über einen Probekörper aus dem zu untersuchenden Feuerfest-Material geführt, und zwar mit einer Geschwindigkeit von 1,7 mm/sek., wobei der Brenner von der Oberfläche des Prüfkörpers 6,4 mm entfernt gehalten wird.
Auf herkömmliche Weise gepresste und gebrannte Ventilplatten aus Magnesia sind üblicherweise nicht imstande, lediglich einem Durchgang der Sauerstoff-Propan-Flamme ohne signifikante Schäden sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren zu überstehen. Bekannte chemisch gebundene Magnesia-Ventilplatten überstehen diesen Versuch besser, aber die Versuchsergebnisse zeigten doch mässige Beeinträchtigung nach einem Durchgang der Brennerflamme.
Demgegenüber erwiesen sich aus den erfindungsgemässen Zusammensetzungen hergestellte Ventilplatten als widerstandsfähig gegenüber wiederholten Durchgängen (der Brennerflamme) wie beispielsweise gegenüber zwölf Durchgängen, ohne signifikante Oberflächenverschlechterung. Dieses unterstreicht die Fähigkeit der erfindungsgemässen Zusammensetzungen, mit den Temperaturänderungen fertig zu werden, welche während des wiederholten Schliessens und Öffnens eines Ventils bei der Ventilbetätigung auftreten, wodurch eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu gebrannten oder chemisch gebundenen Platten unter Beweis gestellt ist.
Wie vorstehend erwähnt, können die Zusammensetzungen nach der Erfindung zum Herstellen von gegossenen Ventilplatten für Schieberventile sowie ferner als Düsen, wie für Kollektoren und Giessrohrverlängerungen, verwendet werden. Auch Giesspfannenrohre und Ausgabedüsen können aus diesen Zusammensetzungen hergestellt werden. Weitere geeignete Verwendungszwecke liegen auf der Hand.
Erzeugnisse, die aus den Zusammensetzungen nach der Erfindung gegossen sind, werden üblicherweise im hydraulisch abgebundenen Zustand gehandelt. Nichtsdestotrotz
Teilchengrösse insgesamt bevorzugt
Prozentbereich insgesamt bevorzugt
— 5 mm+1 mm
— 1 mm+0,3 mm
< 0,3 mm
< 0,3 mm
—3 mm+1mm 20-40 20-30
— 1 mm+0,3 mm 15-35 20-30
<0,3 mm 25-40 30-40
<0,3 mm 0-20 0-5
<45 um wenigstens 90% <75 |xm
<45 |xm wenigstens 90% <75 |im
1-20 4-15
5-10 9-12
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kann es gegebenenfalls angestrebt sein, diese gegossenen Erzeugnisse in einem vorgebrannten Zustand zu handeln, um sie erst während ihrer Verwendung zu brennen. Ein Vorbrennen kann beispielsweise für Erzeugnisse sinnvoll sein, wie auswechselbare Hülsen oder Auskleidungen mit Beständigkeit gegen Verschleiss und Erosion für Austragsdüsen.
Beispiel
Diese Zusammensetzung hat die folgenden Eigenschaften. Die angegebenen Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Magnesia-, Tonerde- und Zement-Komponenten.
Magnesia, Teilchengrösse —3 bis +1 mm 26%
Magnesia, Teilchengrösse — 1 bis +3 mm 25%
Magnesia, Teilchengrösse nicht mehr als 0,3 mm 34% Calcinierte Tonerde, Teilchengrösse nicht mehr als 75 jxm 6 %
Hochtonerdereiche Zement 9 %.
Der Zement besass einen Al203-Gehalt von mehr als 75 Gew.-%, bezogen auf den Zement, wobei wenigstens 90 Gew.-% des Zementes eine Teilchengrösse von weniger als 75 (im aufwiesen. Die Magnesia-Komponente besass einen MgO-Gehalt von 94 Gew.-% und die Tonerde-Komponente besass einen Al203-Gehalt von 98 Gew.-%. Die Zubereitung ergab eine gut verarbeitbare und hinreichend fliessfähige Masse zum Vergiessen nach Zusatz von Wasser in einer Menge von bis zu 7% des Gewichtes. Das Füllen der Formen kann durch Vibrationen unterstützt werden, wie beispielsweise mit Hilfe einer Vibrationsfrequenz von 3000 Hz.
Die vibrations-vergossenen Zement-Probekörper, die wie vorstehend erläutert hergestellt worden waren, wiesen nach dem Härten und Trocknen die folgenden Eigenschaften bei den angegebenen Temperaturen auf.
Eigenschaft
Brenntemperatur °C 110 1000 1500
1700
Raumdichte 10 (g/cm3) Scheinbare Porosität (%) Bleibende lineare Abmessungsände-15 rang vom Trock-nen zum Brennen
2,83 16,0
2,78 19,3
2,85 17,0
Kaltbruchfestigkeit (MPa) 20 Flammenprüfung 1 Durchgang Flammenprüfung 12 Durchgänge
48,3
bestanden bestanden
+ 0,01 -1,24 -3,44 50,8 85,2
bestanden bestanden
Die vorstehenden Eigenschaften sind äusserst günstig zum Herstellen von gegossenen Schieberventil-Bauelementen, die, gegebenenfalls in anschliessend gebranntem Zustand geliefert werden können.
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65
Claims (9)
- 649 5202PATENTANSPRÜCHE1. Hydraulische Feuerfest-Zement-Zusammensetzung zum Herstellen von gegenüber Metallschmelzen beständigen gegossenen Feuerfest-Erzeugnissen, gekennzeichnet durch eine Mischung aus drei Komponenten, nämlich gebrannter oder gesinterter Magnesia, Tonerde und hochtonerderei-chem hydraulischem Zement mit wenigstens 45% A1203, wobei die Magnesia in einer Menge von wenigstens 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, vorliegt und die Tonerde-Komponente in einer Menge von wenigstens 1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, vorliegt.
- 2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnesia-Komponente in einer Menge von 60 bis 95% vorliegt und die Zement-Komponente in einer Menge von 4 bis 15% in der Mischung vorliegt.
- 3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnesia-Komponente einen MgO-Gehalt von wenigstens 94 Gew.-% der Magnesia-Komponente aufweist.
- 4. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonerde-Komponente einen Al203-Gehalt von wenigstens 98 Gew.-% der Tonerde-Komponente aufweist.
- 5. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 20 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, aus Magnesia mit einer Teilchengrösse im Bereich von < 5 mm bis> 1 mm bestehen, wobei 15 bis 35 Gew.-% aus Magnesia mit einer Teilchengrösse im Bereich von < 1 mm bis> 0,3 mm und 25 bis 40% aus Magnesia mit einer Teilchengrösse von maximal 0,3 mm bestehen.
- 6. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 0 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, aus Tonerde mit einer Teilchengrösse von maximal 0,3 mm bestehen und dass 1 bis 20% aus Tonerde mit einer Teilchengrösse von maximal 45 |xm besteht.
- 7. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch, auf der Grundlage von Gewichtsprozenten, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Komponenten, einen Gehalt an 26% Magnesia mit einer Teilchengrösse im Bereich von < 3 bis > 1 mm, 25% Magnesia mit einer Teilchengrösse im Bereich von < 1 bis > 0,3 mm und 34% Magnesia mit einer Teilchengrösse von nicht weniger als0,3 mm; 6% calcinierter Tonerde mit einer Teilchengrösse von nicht weniger als 45 jim und 9% hydraulischen Tonerdezement, von welchem 90% eine Teilchengrösse von nicht weniger als 75 um aufweisen.
- 8. Gegossenes Feuerfest-Erzeugnis, hergestellt aus der Zusammensetzung gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kaltbruchfestigkeit nach Erwärmung auf Temperaturen von 110, 1000 sowie 1500°C von 84,3 bzw. 50,8 bzw. 85,2 MPa und durch eine Raumdichte nach Erwärmung auf die genannten Temperaturen von 2,83 bzw. 2,78 bzw. 2,85 g/cm3.
- 9. Verfahren zum Herstellen eines Feuerfest-Erzeugnis-ses, welches dem Angriff durch schmelzflüssiges Metall ausgesetzt werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis durch Vibrationsgiessen in einer Form aus hydraulischem Zement hergestellt wird, welcher durch Zusatz von Wasser zu der in einem der Ansprüche 1 bis 7 beanspruchten Zusammensetzung hergestellt wurde und dass das Erzeugnis gehärtet und getrocknet wird.
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